CC BY
130
Удельные энергозатраты на фрезерование верхнего слоя почвы
Б.Н. Нуралин, к.т.н., Западно-Казахстанский АТУ;
М.М. Константинов, д.т.н, Оренбургский ГАУ
Важным элементом интенсификации сельскохозяйственного производства является рациональное использование земельных ресурсов, повышение плодородия низкопродуктивных земель и урожайности зерновых культур за счёт улучшения качества обработки почвы при наименьших энергозатратах.
Большую роль играет правильный выбор приема обработки почвы. Н.В. Орловский отмечал: «Правильный выбор наиболее эффективного приёма обработки почвы является залогом успешного их использования, а наоборот, неправильно проведённая начальная обработка почвы может на долгие годы резко ухудшить их агропроизводственные свойства» [1].
Вспашка с оборотом пласта или безотвальное рыхление почвы с последующим просыпанием верхнего слоя в нижние горизонты может привести к её «захоронению». «Такое отношение к плодородному верхнему слою почвы, образованному на протяжении многих тысячелетий в результате длительного природного почвообразовательного процесса, — указывает К.П. Пак, — следует считать неразумным» [2].
В настоящее время существует технология послойной обработки почвы без перемешивания горизонтов, целью которой является создание мощного корнеобитаемого пахотного слоя при сохранении и наиболее полном использовании верхнего плодородного горизонта. Разделение технологического процесса послойной обработки
на отдельные операции приводит к увеличению затрат труда, расхода топлива, энергии и металла, излишнему уплотнению и распылению почвы, снижению производительности труда и качества обработки. В условиях непрерывного энергонасыщения тракторов наблюдается расширение производства комбинированных машин и орудий с активными рабочими органами, которые выполняли бы несколько операций за один проход агрегата.
Технологический процесс работы предлагаемого комбинированного рыхлителя (рис. 1) показывает, что рыхлительная лапа с вертикальными ножами сжимает и разрушает почвы пахотного горизонта, поднимает верхний слой, частично нарушая её связи. При этом верхний слой препятствует перемещению менее плодородного пахотного горизонта вверх. Преимуществом обработки верхнего слоя активными рабочими органами по сравнению с пассивными является возможность регулирования качества крошения почвы в широком диапазоне.
Исследованиями И.М. Панова и др. [3] выявлено, что предварительное рыхление почвы культиваторной лапой, установленной перед ротационными рабочими органами, приводит к снижению максимальной величины крутящего момента в 1,5—1,7 раза. Использование фрезы в сочетании с пассивными рабочими органами расширяет перспективы её применения и устраняет главный недостаток — большой вес и высокие энергозатраты на фрезерование.
Материалы по обоснованию конструктивной схемы комбинированного орудия и параметров
Рис. 1 - Расчётная схема к обоснованию технологии послойной обработки почвы комбинированным рыхлителем
его пассивного рабочего органа с ножами-рыхлителями приведены в предыдущих работах [4]. Обоснование параметров и режимов работы активного рабочего органа необходимо проводить из условия обеспечения агротехнических требований при наименьших удельных энергозатратах.
При ротационной обработке почвы основная доля затрат мощности приходится на резание и на сообщение ей кинетической энергии:
^ф = ^ р + ^отб . (1)
Мощность Ир, затрачиваемая на резание почвы, равна
А • 7-, • к • п
(2)
60
где Ар — работа одного ножа на резание;
— число ножей фрезы на одном диске; к — количество секций фрезерного барабана; п — частота вращения фрезерного барабана. Работу одного ножа определяем через сопротивление резанию
Ар = Я%м • I.
(3)
х_ 30
пп
ак2 I--------------------------------
| д/0,01п2Я2+ уі - 0,2уппЯъ1пак ■ <іак ,(5)
ак1
где ак1, ак2 — углы, соответствующие началу врезания ножа и окончанию процесса резания
/ Л ( 1„ V
■ ак2 = п - агент
акі _ агент
1 - -Я
V
/
1-Я
V
/
ю — угловая скорость.
Интеграл решим, применив формулу Симпсона для приближённого вычисления определённого интеграла, так как подынтегральная функция в указанных пределах — парабола (рис. 2), и получим в виде
| / (х )с/х « в—а [>-о + ^2 +4 У1 ],
(6)
где а = ак1;
в = ак2;
у0, у2 — крайние ординаты; а ух — ордината кривой в середине отрезка.
Величина длины пути резания Ь определяется по следующей формуле:
а2
Ь= | йЬ • Ж, (4)
ю?1
где с1Ь — элементарный путь ножа;
йЬ = ^ (юЯ )2 +уП - 2у/1ыЯн!Пы1.
Изменив пределы интегрирования ю^а^, ю12=ак2 и &=ёак/ю, получим
/■ ‘
N /І0 N.
И
а =а =а. а! Ь =а2=а.= а0
Рис. 2 - Г рафик изменения подынтегральной функции у=(х) (скорости резания уа) от угла поворота фрезерного барабана а
Учитывая, что ординаты у0, у!, у2 соответственно равны скоростям резания уа(аи) ,
Уа(аксс), уа(ак2), с некоторыми допущениями,
приемлемыми для практических расчетов, запишем длину пути резания:
L_
6п
(7)
где аа=ак2—акі — угол контакта ножа с почвой; vа(aкcр)=(aк1+aк2)/2 — значение скорости резания, соответствующее углу акср.
Если учесть, что ширина захвата фрезерного барабана В = 2Lн•к, общее сопротивление резанию ротационного рабочего органа Rрcум определялось в работе [5], то мощность на резание N определится выражением:
N _ ^cpBZdVa(aKcp )aa
p 720
q1 §2
gv , tgp
Lн
+ -
Jcp
5
cp
+
+
v2(aKcp ) • Yo (4 + Ф2Ф^Щ)
" /
Ф2 Yo^ + 0,5 З — Ов + 5Cp Yo
1 - V
va(akcp )Ф1
+1
g • вн
Мощность, затрачиваемая на отбрасывание отрезанной почвы:
N _ Aom6 ' ZdK • n
Nom6 б0 .
(9)
Работа ножа на отбрасывание равна кинетической энергии почвы:
^н ■ ^срвн ' У0 (а )2
2^ ‘ (іо)
Абсолютная скорость движения частицы почвы у1а после воздействия ротационного рабочего органа равна [6]
Aom6
va Vakom,
(11)
где уа — абсолютная скорость резания; кот — коэффициент отбрасывания.
Тогда мощность на отбрасывание представим в следующем виде:
Nom6
2 2
5cpen Y 0В • Zdn • va(a kr„ ) • kom
__________________________4r________
240 g
(12)
Оценку энергозатрат почвообрабатывающих машин более наглядно провести по удельным энергозатратам, приходящимся на единицу объема обработанной почвы:
5уд_
N
ф
В • h • vn
(1З)
где к — глубина обработки;
уп — поступательная скорость агрегата. Тогда, выразив среднюю толщину стружки
б0 • vncos-
2
cp
Z • n
, средние значения углов реза-
ния для стойки и полки ножа рс =1 Рп =1 + р
Уер 1>гср 1 °ер
удельные энергозатраты на фрезерование запишем:
5уд_
aava(akcp)
cos —- I Ь2
2 I q 5а
б • h •
tgi + tg (i + Scp ) Z •
L б0 vn cos aa
n2
+
+
v2(akcp)Y0 (4 + Ф2Ф1 •sinY)+ Звн ' va(akcp)Y0n k,
2
om
+
g- aa
+ Ф2 (Y 0вн + 0,5.
£в_ З aa 2 ws-a •Yo vi«c Л , ,1
<5e +60vc З Z- n g-вн +1 V /_
^(l- f )2 • cos2 pnCp+K2y • sin2 pnCp ; np+ ф)+&ф;
,(14)
} .(8)
Ф_
Фз =1 -д/(1 - f )2-cos2pccp+k2y-sin2Pccp cos^;
фз sinP[ +ФГ sin(p( + Y1|ш( 4-ф)+ cos(p( + ф)^§ф] cos ф
еср — среднее значение заднего угла резания; i — угол заточки ножа; q1 — коэффи циент объемного смятия почвы; LH — длина лезвия полки ножа;
8а — путь смятия почвы лезвием; в — ширина захвата одной секции; у0 — объёмный вес почвы; вн — ширина полки ножа;
Z — кол-во односторонних ножей в диске; ов — предел прочности верхнего слоя; ку — коэффициент восстановления почвенной частицы;
f — коэффициент трения почвы о сталь;
Ф — угол трения;
n — частота вращения фре зерного барабана; £ — угол между направлением движения стойки ножа и абсолютной скорости отбрасывания почвы.
Полученное аналитическое выражение (15) позволяет анализировать степень влияния на удельную энергоёмкость процесса фрезерования физико-механических свойств почвы (ств, у0, ф, q1), параметров фрезерного барабана (LH, вн, z, R, i, еср) и режимов работы (n, vn, h). Графические зависимости удельных энергозатрат от отдельных параметров и режимов работы фрезы, построенные по результатам теоретических расчётов, приведены на рисунках 3, 4.
С увеличением частоты вращения фрезерного барабана при различных поступательных скоростях движения (рис. за) общие удельные энергозатраты на фрезерование значительно увеличиваются. Так, при скорости движения vn = 1м/с изменение частоты вращения от
в?
2
n
g
n
I
2
om
g
+
a
Эуд,
кВт/м:
180
120
60
\/п=0.5м/<
\/п=1.0м/< \/п=1,5м/< \/п=2.0м/(
190 260 330 400 п. мин-'
Эуд,
кВт/м3
160
120
80
\/п=0,5м/с
\/п=1,0м/с
\/п=1,5м/с
\/п=2,0м/с /
6 7д,шт
Рис. 3 - Изменение удельных энергозатрат на фрезерование Эуд в зависимости от частоты вращения фрезерного барабана п (а) и количества ножей секции (б) при различной скорости движения агрегата Уп
Эуд,
кВт/м:
160
120
80
40
\/п=0.5м/ с
/
\/п=1,0м/ с
\/п=1.5м/ с
\/п=2,0м/ с
0,04 0,05 0,06 0,07 1_на
Эуд,
кВт/м'
200
150
100
50
П=47( )мин-1
^ П=40( )мин- ~
П=33( )мин-1
П=26( )мин-1
0,5 1,0 1,5 \/п,м/с
Рис. 4 - Изменение удельных энергозатрат на фрезерование Эуд в зависимости от длины полки ножа (а) и скорости движения агрегата Уп (б)
190 мин-1 до 470 мин-1 вызывает увеличение общей удельной энергоёмкости от 52,12 кВт/м3 до 202,5 кВт/м3, что в 4 раза выше. Причём в интервале 190—330 мин-1 удельные энергозатраты повышаются на 16,3%, а в интервале 330—470 мин-1 — на 72,3%. Повышение удельных энергозатрат при малых поступательных скоростях происходит интенсивнее, чем при больших скоростях движения.
Изменение количества ножей секции от 2 до 8 шт. при поступательной скорости движения vп=0,5м/c приводит к увеличению удельных энергозатрат на 31,9%, а при скорости движения vп=2м/c — удельные энергозатраты не изменяются. Влияние изменения количества ножей секции на удельные энергозатраты проявляется только при малых скоростях движения (рис. 3б).
С увеличением длины полки ножа от 0,04 до
0,08 м при скорости движения vп=1 м/с удельная энергоёмкость фрезерования снижается на 10,8%. Причём при изменении длины полки ножа с 0,04 до 0,06 м снижение происходит интенсивнее, чем при изменении с 0,06 до 0,08 м. Такая тенденция сохраняется и при остальных скоростях движения (рис. 4а).
На величину удельной энергоёмкости фрезерования большое влияние оказывает поступательная скорость агрегата. Например, изменение скорости от 0,5 м/с до 2 м/с при частоте вращения фрезерного барабана 330 мин.-1 снижает удельные энергозатраты на 52,6% (рис. 4б).
Теоретическая зависимость удельных энергозатрат на фрезерование от параметров, режимов работы фрезы и физико-механических свойств
Эуд,
кВт/м!
160
120
80
Эуд=^д)
—- >3^
■ Э) те хперимен юретическ Эуд=^1л) тальные д сие данные энные (
Эуд,
кВтЛл;
200
150
100
50
/ /у /У
_ “Ч. ’ ^ Эуд=*П)
У/ // г у чЧ.
■ 3\ Те г г ссперимен •орешнес» Эуд^(\/ гальныед ие данные 4 энные
0,04 0,05 0,06 0,07 Ы, м(Х2) 190 260 330 400 п, мин'1 (Хз)
г- (X,) 0.83 1,11 1.39 1,67 Ун,м/с (X.)
Рис. 5 - Влияние количества ножей Х! и расстояния между секциями Х2 (а), частоты вращения фрезерного барабана Х3 и поступательной скорости агрегата Х4 (б) на удельные энергозатраты фрезерования Эуд
почвы была проверена экспериментальными исследованиями, и полученное уравнение регрессии подтверждает правильность теоретических зависимостей (рис. 5), кВт/м3.
Эуд = 136,3+7,69Х1-36,75Х2+68,07Х3-
29,99Х4+6,52Х1Х2+21,73Х1Х3-18,62Х1Х4-
-5,4Х2Х3-6,63Х2Х4-17,68Х3Х4+5,24Х12
+3,11Х22+12,98Х32-5,55Х42, (15)
где Х1 — количество ножей;
Х2 — расстояние между ножами;
Х3 — частота вращения активного рабочего органа;
Х4 — поступательная скорость.
Таким образом, мы пришли к следующим выводам.
1. Обоснованы теоретические зависимости удельных энергозатрат на фрезерование от параметров, режимов работы фрезы и физикомеханических свойств почвы, которые проверены и подтверждены экспериментальными исследованиями.
2. Установлено, что фрезерование почвы с наименьшими энергозатратами необходимо производить при следующих параметрах и режимах работы фрезы: длина полки ножа 0,06—0,07 м или расстояние между секциями 0,12—0,14 м;
количество ножей секции 4—6 шт.; поступательная скорость движения не менее 1,5 м/с. Значения частоты вращения фрезерного барабана целесообразно выбрать исходя из обеспечения соблюдения агротехнических требований обработки верхнего слоя почвы при наименьших удельных энергозатратах.
3. Полученная аналитическая зависимость показывает, что предварительное изменение физико-механических свойств почвы (у0, ав, q1) снижает удельные энергозатраты на фрезерование. Данное обстоятельство необходимо учитывать при разработке почвообрабатывающих машин с применением активных рабочих органов.
Литература
1. Орловский Н.В. Основные приемы освоения и окультуривания засоленных почв // Вестник сельскохозяйственной науки. М., 1959. № 10. С. 24-34.
2. Пак К.П. Солонцы СССР и пути повышения их плодородия. М.: Колос, 1975. 383 с.
3. Панов И.М. и др. Снижение энергоемкости ротационного плуга // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. М., 1972. № 2. С. 20-22.
4. Подскребко М.Д., Нуралин Б.Н. Предпосылки к обоснованию схемы комбинированного орудия для обработки целинных солонцов // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов: тр. ЧИМЭСХ. Челябинск, 1981. Вып. 167. С. 82-94.
5. Нуралин Б.Н. Сопротивление ротационного рабочего органа // Деп. во ВНИИТЭИСХ. № 281. ВС-80. 18.06.85. РЖ 1985. № 9. 10 с.
6. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 328 с.
