Теоретические аспекты создания почвообрабатывающей машины культиватора-бороны Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

// Тракторы и сельхозмашины. - 2009. -№ 4. - С. 20-24.

6. Пат. на пол. модель 89596 РФ, Жидкостный смеситель / А. П. Уханов, В. А. Голубев, Е. С. Зыкин. - Опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34.

7. Усов, П. В. Подъемно-транспортные машины / П. В. Усов. - М.: Высшая школа, 1967. - 236 с.

8. Пат. на пол. модель 91929 РФ, Смеситель-дозатор топлива / А. П. Уханов, В. А. Голубев, Е. С. Зыкин. - Опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7.

9. Пат. на пол. модель 92085 РФ, Смеситель-дозатор топлива / А. П. Уханов, В. А. Голубев, Е. С. Зыкин. - Опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7.

УДК 631.43:631.51

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ

КУЛЬТИВАТОРА-БОРОНЫ

В. М. Федосеев, инженер ФГОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»;

А. В. Русинов, канд. техн. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова», т. 8(452) 74-96-35, е-таПЯиэтоуБа^уа^ех. ги

В статье рассмотрен вопрос, связанный с влиянием скорости резания на процесс резания почвы рабочим органом культиватора. Представлены энергозатраты, необходимые для выращивания яровой пшеницы. Теоретически обоснована наименьшая глубина срезания корня сорного растения. Выдвинута гипотеза о создании конструкции культиватора-бороны.

Ключевые слова: культиватор-борона, культивация почвы, энергоемкость, сорная растительность, резание сорной растительности

Важной задачей, связанной с повышением эффективности применения сельскохозяйственных машин, является увеличение их производительности. Существует множество путей повышения производительности сельскохозяйственных машин, используемых при почвообработке. Это увеличение энергоемкости машины за счет повышения мощности двигателя базового трактора, что в свою очередь вызывает увеличение массы почвообрабатывающего агрегата, и, как следствие, сильное воздействие на почву, приводящее к нарушению ее физико-механических свойств, а также водно-воздушного режима, что в итоге приводит к снижению урожая сельскохозяйственных культур.

Наиболее перспективным путем повышения производительности сельскохозяйственной машины является увеличение скорости. Ряд сельскохозяйственных операций производится на скоростях, которые ограничены агротехническими требованиями, но есть и такие операции, которые лучше выполнять на повышенных скоростях, например культивация. Однако существующие конструкции культиваторов не приспособлены к таким режимам работы. Это объясняется тем, что с увеличением скорости рыхления почвы происходит рез-

кое увеличение тягового сопротивления рабочего органа. Так, при рыхлении почвы культиватором энергия расходуется на деформирование отделяемого слоя и примыкающей к нему части, на преодоление сил инерции отделившихся кусков, то есть подъем почвы по рабочей поверхности, и на резание сорного растения. Эти процессы протекают взаимосвязанно.

Исходя из сказанного силу резания при скорости и условно можно представить как результирующую трех составляющих:

Р = р + р + р (1)

1 1 р 1 кин ' 1 сорт V 1 /

где Рр - сила, необходимая для образования стружки, Н; Ркин - дополнительная сила для сообщения движения отделяющимся частицам почвы, Н; Рсор - сила, затрачиваемая на резание сорного растения, Н.

Так как процесс рыхления почвы культиваторами происходит при скоростях в пределах 10 км/ч (2,8 м/с), то при резании почвы возникают пластические деформации, тогда сила, необходимая для деформирования отделяемого слоя, определяется как

Рр = Рро + Рфиз, (2)

где Рро - сила резания при скорости, близкой к нулю, определяемая из условий предельного равновесия почвы, Н; ¥физ - сила,

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 67

учитывающая действие физических факторов скорости резания, Н.

Силу резания при скорости, близкой к нулю можно определить по формуле

Н. Г. Домбровского [1]:

Рро = КЬлИрътр3, (3)

где К - удельное сопротивление резанию почвы, кН/м2; Ьл - ширина лапы культиватора, м; Ир - глубина рыхления почвы, м; ср3 - угол захвата лапы культиватора, град.

Рассматривая действие физических факторов скорости резания установили, что значительная доля усилия затрачивается на преодоление сопротивления почвы вдавливанию режущей кромкой лапы культиватора ¥ш, которое можно определить как

К* = АЬ°сжЄ„р , (4)

где АЬ - толщина режущей кромки, м; асж -предельное напряжение сжатия почвы, Па; єпр - предельная деформация сжатия почвы до момента появления опережающей трещины, м.

Рис. 1. Схема сил, действующих на лапу культиватора в процессе почвообработки

Величина деформации почвы зависит от толщины режущей кромки лапы культиватора, которая в процессе почвообработ-ки подвержена абразивному изнашиванию и, как следствие, затуплению. Тогда к силе Fed, действующей на лапу культиватора, добавятся реакции почвы на площадку затупления R1 и R2 (рис. 2). Затупленная лапа культиватора движется по линии «аа», касаясь ее в точке М. Вершина Е лапы разделяет снимаемый слой почвы на две части, из которых нижняя при движении лапы культиватора частично выдавливается вверх, а частично уплотняется и вдавливается криволинейной поверхностью ME лапы вниз за линию «аа».

Значения реакций R1 и R2 можно определить по формулам

R^ Фл+^хЬл);

R2=Кхbл+k2bл, (5)

где К - удельное сопротивление почвы резанию, кН/м2; г и х - проекции величины затупления рабочей поверхности лапы культиватора, м; к2 - реакция почвы на 1 м ширины лапы Ьл культиватора, кН; /и1 - коэффициент внешнего трения.

Рис. 2. Схема износа лапы культиватора

Суммарная реакция на лапе культиватора в результате износа будет равна:

ru .

(6)

Тогда искомая сила, необходимая для образования стружки лапой культиватора, определится как

Fp =П(КЬ№П<Р3 +ДЬ°сжЄпр +

+b^ k12 (z+/и1 x)2 +( x+k2)2)

(7)

где п - количество лап культиватора, шт.

Изучение зависимостей сопротивления почвы от скорости резания показали, что при любых скоростях резания изменяется сопротивление почвы. Тогда дополнительную силу для сообщения движения разрыхленной почвы определим по формуле Ю. А. Ветрова [2]:

F =b h ум

кин л pi об )

(8)

' єіп(<5+0)

где /об - удельный вес почвы, Н/м ; ир -рабочая скорость передвижения культиватора, м/с; 8 - угол резания лапы культиватора, град; в - угол между траекторией лапы культиватора и направлением движения отделяющихся кусков почвы, град.

Величина силы срезания сорной растительности находится в прямой зависимости от толщины и влажности корня. Поэтому определяем зависимость силы Рсор от диаметра и влажности корней с помощью эмпирической формулы

F =c1 Vd -(eW-c)n

c°.p 1К \ / к >

(9)

где dкi - сумма одновременно срезаемых корней, м; Ж - влажность корней, %; пк -

i=1

6B Технические науки

количество корней; с, сь е - эмпирические коэффициенты.

Подставив в зависимость(1) уравнения

(7), (8) и (9), получим искомую силу резания культиватором:

Г Ї

Е =п

КЬл +АЬасжепр+

+ЬАк1{2+^ ХУ +{к1 х+к2 )2 , , 2 8Іп£сО80

+ь„ крїобир

+С1 Ёк,-(-°)пк

' 81п(<5+6|)

. (10)

Анализ зависимости (10) показывает, что незначительное увеличение скорости резания приводит к резкому возрастанию сопротивления резанию почвы культиватором. В связи с этим повышение производительности культиватора за счет увеличения скорости ограничено тягово-сцепными свойствами базовой машины.

Однако необходимо отметить, что основной целью процесса культивации является подготовка почвы под посев и полное удаление сорной растительности. В связи с этим обработка почвы производится на глубину 10...15 см. В технологическом процессе возделывания озимой пшеницы с использованием паров операция культивации с боронованием проводится четыре-пять раз. Несомненно, это энергоемкий процесс, на выполнение которого тратится до 37 % от суммарных энергозатрат, необходимых для возделывания зерновых культур (таблица).

Необходимо отметить, что две-три культивации в технологическом процессе проводятся только для удаления сорной растительности. В связи с этим нет необходимости проводить культивацию на глубину 10.15 см, поскольку срезание корней сорных растений можно произвести на меньшей глубине. Уменьшение глубины резания позволит снизить сопротивление резанию, что даст возможность увеличить ширину захвата культиватора, тем самым повысив его производительность и снизив энергоемкость процесса культивации.

Исходя из вышеизложенного техническим решением является установка на культиватор односторонних стрельчатых лап, которые в продольной плоскости крепятся парно друг за другом в шахматном порядке с небольшим перекрытием.

Для стопроцентного срезания сорных растений необходимо определить минимальную глубину резания корней. При воздействии стрельчатой лапы на корень происходит погружение стебля растения в почву вследствие изгиба корня. Это обусловлено тем, что нижняя часть корня имеет разветвленную часть, распространенную на большую глубину. При воздействии на сорное растение его корневая система захватывает часть почвы. Данное обстоятельство позволяет сделать допущение, что нижняя часть корня закреплена жестко и в процессе резания остается на своем первоначальном месте, тогда как его верх-

Структура энергозатрат по технологическим операциям при возделывании озимой пшеницы

Технологическая операция Статья энергозатрат, МДж/га Всего совокупной энергии

машины топливо живой труд электро- энергия минеральные удобрения семена пестициды МДж/га %

Осенняя обработка почвы 364 972 95 - 1431 6

Снегозадержание 29 79 8 - - - - 116 1

Ранневесеннее боронование 232 211 53 - - 496 2

Внесение минеральных удобрений 171 288 77 20 6045 6601 28

Подготовка почв к посеву, посев 394 542 87 21 252 7325 54 8675 37

Уход за посевом 114 142 38 - - - 211 505 2

Уборка урожая 1181 1052 317 - - - - 3250 14

Обработка зерна 2161 0 57 - - - 2744 11 11

Всего МДж/га 5346 3286 732 567 6297 7325 265 23818

% 23 14 3 2 26 31 1 100

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 69

ний конец вместе со стеблем погружается в почву на величину ДУ, так как почва в этой зоне деформируется в процессе резания стрельчатой лапой культиватора. При этом, чем меньше исходная плотность почвы, тем больше ее деформация и, следовательно, прогиб корня сорной растительности. Тогда наименьшая глубина резания стебля сорного растения, при котором произойдет полный срез, равна:

к =---------, , (11)

р ъгдУхйкУ0,05х£А

где кр - глубина резания, см; Г - сила, действующая на корень, Н; ДУ - величина погружения стебля растения в почву, см; х -длина изгиба корня, см; йК - диаметр корня, см; х - коэффициент сопротивляемости податливости почвы, Н/см3; Ек - модуль упругости корня, Н/см2.

Анализируя зависимость (11), можно утверждать, что для большинства сорных растений, растущих на полях Самарской области, наименьшая глубина приложения силы резания корня составляет 4,5.6 см. Диапазон изменения глубины резания небольшой, а лапы культиватора должны заглубляться на необходимую величину и оставаться на ней во время работы. Процесс заглубления односторонних стрельчатых лап культиватора происходит за счет веса конструкции Ол и вертикальной составляющей сопротивления резанию почвы Гру, а выдерживание заданной глубины резания будет осуществляться скоростью движения культиватора и сопротивлением смятию почвы Р продольным брусом и стрельчатыми лапами (рис. 3).

Тогда уравнение моментов относительно точки О будет таким:

РуХі+РхЛі+(Еріх+Ер2х)

^2-Ер1Г Х2-ЕР2У Х4-Ол Хз=0, (12)

где Ру и Рх - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие усилия смятия почвы передней гранью стойки культиватора, кН; Еріх, ^ ЕріуХ и Ер2у - соответственно горизонтальные и вертикальные составляющие сопротивления резанию стрельчатой лапой культиватора, кН; Ол - вес культиватора, кН; Ні, Н2, Хі, Х2, Х3 и Х4 - соответственно расстояния от линии действия соответствующих сил до оси крепления культиватора-бороны, м.

Сопротивление смятию почвы определим по зависимости, предложенной М. Г. Беккером [3]:

Р=^+^Л', (13)

где ц - показатель деформируемости почвы; Кр, Кс - коэффициенты, учитывающие соответственно связность и трение в почве; И - деформация осадки поверхности почвы, м; Бк - площадь пятна контакта стойки и стрельчатых лап культиватора, м2.

Подставив в зависимость (12) значения горизонтальных и вертикальных составляющих всех сил, допустив, что сопротивление резанию на двух односторонних стрельчатых лапах культиватора одинаковое и сделав математические преобразования с учетом зависимости (13), определим глубину резания:

Рис. 3. Схема сил, действующих на культиватор с односторонними стрельчатыми лапами в процессе работы

70 Технические науки

(к ^

Гр($,таХ2льтаХ)ЗХъ—$(Х1+со$,рк)I —+К9 Iкм , У$к /

2 р = -)Г7

2Грсоа

(14)

где а - угол наклона сопротивления резанию почвы лапой культиватора, град.; в -угол наклона сопротивления смятию почвы передней стойкой, град.

Анализ зависимости показал, что наибольшее влияние на глубину резания культиватора, оснащенного стрельчатыми лапами, оказывают его вес и угол резания. Поскольку его скоростные параметры ограничены агротехническими требованиями и тягово-сцепными свойствами базового трактора, то снижения энергоемкости процесса культивации за счет увеличения производительности можно добиться путем увеличения ширины захвата.

В итоге можно сделать следующие выводы. Возможность повышения производительности культиваторов с пассивным рабочим органом за счет увеличения скоро-

сти ограничена тягово-сцепными показателями машин. Существующие конструкции культиваторов обладают высоким тяговым сопротивлением, определяемым по зависимости (10), на величину которого оказывают влияние физико-механические свойства почвы и сорных растений. Повысить производительность культивации возможно путем увеличения ширины захвата за счет установки на культиватор односторонних стрельчатых лап, осуществляющих рыхление почвы и срезание корней сорных растений на глубине 4,5.6 см.

Литература

1. Добровский, Н. Г. Строительные машины / Н. Г. Добровский, М. И. Гальперин / М.: Высшая школа, 1985. - 224 с.

2. Ветров, Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами / Ю. А. Ветров. - М.: Машиностроение, 1971. - 357 с.

3. Беккер, М. Г. Введение в теорию систем местность - машина / М. Г. Беккер. -М.: Машиностроение, 1973. - 296 с.

Нива Поволжья № 4 (17) ноябрь 2010 71