Теоретические основы расчёта энергетических параметров механизированных процессов обработки почвы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.316.22 UDC 631.316.22

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА THEORETICAL PRINCIPLES OF CALCULA-

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕХА- TION OF ENERGY PARAMETERS OF

НИЗИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТ- MECHANIZED PROCESSES OF TILLAGE

КИ ПОЧВЫ

Тарасенко Борис Фёдорович Tarasenko Boris Fedorovich

к.т.н., доцент Cand.Tech.Sci., assistant professor

Кубанский государственный аграрный универси- Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

тет, Краснодар, Россия

Представлены рыхление чизельное, теоретические Chisel, theoretical principles, new tools, calculation of основы, новые рабочие органы, расчёт энергетиче- energy parameters of mechanized processes of tillage ских параметров при обработке почвы are presented in this article

Ключевые слова: РЫХЛЕНИЕ ЧИЗЕЛЬНОЕ, МА- Keywords: CHISEL, MATHEMATICS, REGU-

ТЕМАТИКА, ЗАКОНОМЕРНОСТИ, СИЛЫ, СО- LARITIES, POWERS, RESISTANCE, CALCULA-

ПРОТИВЛЕНИЕ, РАСЧЁТЫ TIONS

В земледелии существует, имеющая народнохозяйственное значение, проблема сохранения плодородия и снижения затрат энергии при выполнении механизированных процессов обработки почвы, так как применяемые конструктивно-технологические решения основной обработки почвы далеки от совершенства (высоки затраты энергии на основную обработку почвы).

Для решения указанных проблем нами поставлены следующие задачи исследований.

1. Изучить теоретические основы и установить математические закономерности при определении сопротивления почвы деформации или отрыву пласта плугов с рабочими органами для почвозащитной технологии.

2. Произвести расчёты затрат топлива при обработке почвы новыми и известными средствами.

Реализация задач исследований осуществлена следующим образом.

При расчёте энергетических параметров конструктивно-

технологических средств обработки почвы важным пунктом является определение сопротивления почвы, возникающего при воздействии на нее рабочего органа в процессе работы, а по нему определение затрат топлива.

Известно [1], что при безотвальном (почвозащитном) рыхлении почвы рабочими органами имеющими вид стрельчатой лапы закрепленной на стойке схема сил сопротивления, действующих на клинообразный рабочий орган (рисунок 1) имеет вид, а тяговое сопротивление (Ртяг,Н). определяется по формуле.

Ртяг - общее тяговое сопротивление; Язат -сопротивление затылочной фаски; Як -сопротивление почвы деформации или отрыву пласта двухгранным клином; Яр - сопротивление трению; - сопротивление, созда-

ваемое статическим давлением пласта; в - угол крошения; ф - угол трения (в расчётах ф =26°30', когда не указан тип почвы).

Рисунок 1 - Схема сил сопротивления, действующих на клинообразный

Ртяг = б • <7 + т' й,

(1)

коэффициент перекатывания колес рыхлителя (по стерне

т =0,15-0,3 [102]);

вертикальная нагрузка на колеса рыхлителя, Н;

продольная составляющая силы тяги двухгранного клина, Н.

рабочий орган

Из этого следует, что уравнение продольной слагающей Рх силы тяги Ртяг долота универсального рабочего органа, поступательно движущегося с постоянной скоростью соответствует следующему выражению (формула 2).

Рх = ^затХ + ^КХ + ^ЕХ + ^ОХ, (2)

где ЯзатХ - горизонтальная составляющая сопротивления затылочной фаски на долоте, Н. На рисунке 2 показана схема к определению давления почвы на затылочную фаску.

Рисунок 2 - Схема к определению давления почвы на затылочную фаску ЯзатХ определяется из выражения

R Х = 0,5q • в • И2 (tgj • ctge +1) (3)

затХ ’ zL см л зат \ c> т зат & ^ зат / ?

3

где qCM - коэффициент объёмного смятия почвы (41-207 Н/см );

Изат - деформация сжатия;

j зат - угол трения между равнодействующей нормальных давлений почвы на затылочной фаске лезвия долота и равнодействующей вертикальной и горизонтальной составляющих сил воздействующих на фаску и стремящихся вытолкнуть долото из почвы;

£зат - угол наклона затылочной фаски ко дну борозды.

В частном случае при 8зат=10° и ф = 26°30', Язат<0,3См, где Ом - вес машины, Н.

Якх, Н - сопротивление почвы деформации или отрыву пласта двухгранным клином, Н. При этом Як - равнодействующая нормальных и касательных сил на поверхности клина является функцией переменных значений

Я К = Ф ( а, в, Ь , 8 , ф ) . (4)

Тогда при линейной зависимости между толщиной и шириной пласта а и в, см), и при помощи коэффициента удельного сопротивления почвы к=50-150 кН/м , Якх определяется как

Якх= к ■ а ■ в ; (5)

На рисунке 3 показана схема деформации пласта при работе двухгранного клина в вертикальной плоскости.

При работе клина происходит вначале уплотнение почвы при перемещении его из точки (О) в точку (01), а затем в почве возникает мгновенно плоскость сдвига 01А1 под углом у с дном борозды, т.е. образуется призмовидная глыба, имеющая в продольном сечении форму трапеции 01А1АВ.

а - толщина пласта; а1 - толщина деформированного пласта; 0 - реакция недеформированной почвы, находящейся впереди клина; Б - сила динамического давления, обусловленная инерцией пласта почвы; О - вес пласта; Я - результирующая нормальных давлений и сил трения на рабо-

чей поверхности клина; ф - угол трения почвы о сталь; 01А1 - плоскость сдвига; 01А1АВ - поперечное сечение в форме трапеции призмовидной

глыбы; р - угол крошения или угол между передней гранью клина и дном борозды; 5 - угол установки клина ко дну борозды.

Рисунок 3 - Схема деформации пласта почвы при работе двугранного клина в вертикальной плоскости:

ЯОХ,Н - сопротивление, создаваемое статическим давлением пласта определяется

Явх = О ' (Ь ф) (6)

где О - вес пласта (Н). О определяется по формуле

О = р ■ а ■ в л ■ I ■ Я , (7)

где I - длина рабочей поверхности клина, м;

р - объёмный вес почвы (р =1,22-1,25 т/м3) [2].

ЯрХ - сопротивление, создаваемое инерцией пласта или его динамическим давлением, Н.

Ярх = а ■ вл ■ Р ■ ^ + ф), (8)

Развернутая зависимость для определения продольной слагающей силы тяги для двухгранного клина,

Рх = 0,3 ■ + к ■ а ■ в л + <° ■ (Р + ф ) + а ■ вл ■р ■ V2 ■ + ф), (9)

Для определения тягового сопротивления предлагаемого устройства необходимо учитывать также угловые колебания. Из исследований Баранова А. С. известно, что с учётом угловых колебаний рабочих органов сопротивление возрастает на 30.. .35%.

Ртяг.угл. кол 1,35’РХ (11)

где 1,35 - коэффициент роста сопротивления с учётом угловых колебаний.

Затраты топлива определяются по формуле

О = N ■ о ■ Т (12)

^ топл предл Ч. т см , (12)

где N - мощность (кВт) определяемая, как N = Ртяг . угл . кол . ■ V ;

V- скорость (км/ч) передвижения плуга. Тсм=7ч - время смены;

°т - удельный расход топлива принимаем равным 238г/кВт.

В таблице 1 приведены математические закономерности для определения Якх, расчетное значение удельного тягового сопротивления (д), а также затраты топлива (^тош), причём расчётные значения продольной слагающей силы тяги определёны по развёрнутой зависимости (формула 9). Расчёты приведены для базовых плугов ПЧН-2,2(3,2) и для новых защищённых патентами РФ [3, 4, 5, 6] плугов с рабочими органами с прямоугольной лапой с нижней заточкой, с двухъярусными лапами, с составными лапами, со складывающимися лапами (рисунок 4).

При расчёте тягового сопротивления почвы двухъярусному рабочему органу принимаем, что сопротивление почвы второму ярусу меньше в три раза (твёрдость почвы меньше, нет корней растений, структура мелкозернистая).

а

б

а - базовый ПЧН-3,2; б - экспериментальный плуг с прямоугольной лапой с нижней заточкой; в и г - рабочие органы для экспериментального плуга с двухъярусными лапами и с составными лапами; д - экспериментальный плуг со складывающимися лапами

Рисунок 4 - Плуги и рабочие органы Таблица 1 Математические закономерности для определения ЯКХ и q, Qт

Математические закономерности для определения ЯКХ.

Рх /в, кН/м

6,893

где а1=0,18м, а2=0,16м, а3=0,14м, а4=0,12м,

а5=0,1м, в1, а1=0,18м, аст=0,12м, вст=0,02м, а1=0,18м, к=150кПа,

в=2,2м__________________________________

Плуг ПЧН-2,2 (базовый) т=530кг 164,5

где ,5

а=0,18м,

вст=0,02м,

вл=0,5м,

ар=0,15м,

вр=0,005м

к=150кПа

, в=2,2м

Плуг с двухъярусными лапами т=880кг У=9км/ч

7,969

где а1=0,15м, вл=0,5м, а2=0,3м, к=150кПа, к1=50кПа, а1ст=0,1м, а2ст=0,25м, вст=0,02м, в=3,2м

161,3

Плуг ПЧН-3,2 (базовый) т=740кг У=9км/ч

9,157

185,3

где а=0,3м, вст=0,02м, вл=0,5м, ар=0,15м, вр=0,005м, к=150кПа, в=3,2м

6,743

136,5

где а=0,15м, в=2,2м,

вл=0,5м, к=150кПа

при а=0,18м_________________

7,930

160,5

Плуг со складывающимися лапами (лапы сложены)

т=775кг

У=9км/ч

где а=0,3м, в=3,2м, вл=0,1м, к=150кПа, к1=50кПа, а1=0,2м

Выводы. 1. Освоены теоретические основы и установлены математические закономерности для определения продольной слагающей силы тяги

плугов с рабочими органами с прямоугольной лапой с нижней заточкой, с двухъярусными лапами, с составными лапами, со складывающимися лапами.

2. Расчёты показали, что при обработке почвы предлагаемыми средствами затраты топлива ниже, чем базовыми (160,5<164,5; 161,3<185,3;

138,25<164,5; 47,4<185,3 соответственно).

Список использованной литературы

1. Синеоков Г.Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. М.: «Машиностроение», 1965. 312с.

2. Якимов Ю.И., Осадчий А.В., Маслов Г.Г. и др. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка. Краснодар: КубГАУ, 2004. 389с.

3. Патент РФ №2316921. 2008. МКИ А01В49/02. Рыхлитель чизельный.

4. Патент РФ №2189127. 2002. МКИ А01В49/02, 3/36. Плуг навесной.

5. Патент РФ №2214076. 2003. МКИ А01В13/08. Устройство для безотвальной вспашки.

6. Патент РФ №2298302.2007. МКИ А01В35/28, А01В35/26. Устройство для обработки почвы.