CC BY
111
Влияние углов крошения и внешнего трения на направление абсолютного перемещения почвенных частиц
А. С. Путрин, д.т.н., О. Н. Терехов, д.т.н.,
Оренбургский ГАУ
Одним из основных свойств почвы, определяющих характеристику силового взаимодействия исполнительных поверхностей рабочих органов с технологической средой, является склонность контактного слоя обрабатываемого пласта к уплотнению[1, 2]. В процессе обработки почвы перемещение рабочего органа приводит к переупаковке почвенных частиц, соприкасающихся с его исполнительной поверхностью, а также находящихся в контактном слое. Переупаковка почвенных частиц сопровождается уменьшением расстояния между ними, впрессовыванием в надлемешную часть пласта и образованием силы реакции.
Движение рабочего органа обусловливает возникновение от деформаций сжатия внутри-почвенного напряжения, направление действия которого совпадает с направлением абсолютного перемещения почвенных частиц спрессо-
вываемого объема (контактного слоя), а интенсивность уменьшается по мере удаления от исполнительной поверхности вглубь надлемешной части пласта.
Совершенствование любого технологического процесса обработки почвы предполагает обязательное снижение его энергоемкости. Наиболее целесообразными путями решения проблемы снижения энергоемкости рыхления почв на современном этапе развития земледельческой механики являются обеспечение оптимального положения относительно дна борозды плоскостей деления почвенных монолитов, а также образование таких плоскостей за счет деформаций разрыва или сдвига в результате оптимизации направления действия силы реакции почвы.
Поскольку сила реакции почвы противодействует сжатию контактного слоя надлемешной части пласта, она равна силе сжатия почвенных частиц и направлена противоположно ей. Следовательно, направление абсолютного переме-
щения почвенных частиц относительно исполнительной поверхности рабочего органа при переупаковке определяет направление действия силы реакции почвы, от которого зависит энергоемкость рыхления, обусловленной положением плоскости и характером деформаций: разрыва, сдвига или сжатия.
Механическая обработка почвы осуществляется в результате сжатия небольшого почвенного объема, образующего контактный слой, и целенаправленного перераспределения возникающих механических напряжений в оставшуюся часть обрабатываемого пласта.
Любой из рабочих органов почвообрабатывающих машин способен оказывать воздействие на почву только в результате перемещения, тем не менее, до настоящего времени природа уплотнения контактного слоя движущимся рабочим органом, а следовательно, и образования силы реакции изучена недостаточно полно.
Направление перемещения почвенных частиц относительно исполнительной поверхности клина и поперечного сечения почвенного пласта может быть самым разнообразным, в том числе в практическом отношении наиболее значим с позиций энергоемкости рыхления по-чвы[3, 4].
Классическое понятие силового взаимодействия двугранного клина с почвой трактует следующее: сила реакции почвы на внедрение клина при всех условиях отклонена от нормали исполнительной поверхности на угол внешнего трения[5, 6]. Но в последние годы стали появляться гипотезы, особенность которых заключается в том, что на направление действия силы реакции надлемешной части пласта существенное влияние оказывает ориентация абсолютного перемещения почвенных частиц, обусловленная углами крошения исполнительной поверхности клина, а также внешним трением почвы.
Предлагаемый метод определения направления действия силы реакции почвы базируется на расчетах с использованием значений параметров усилий, сжимающих подрезаемый пласт в направлении абсолютного перемещения почвенных частиц, находящихся в прямом и косвенном контакте с исполнительной поверхностью клина.
В результате воздействия на подрезаемый пласт клина АВ, установленного под углом крошения а (рис. 1), частицы почвы впрессовываются в надлемешную часть по направлению нормали n независимо от величины внешнего трения соприкасающихся поверхностей и одновременно испытывают усадку вдоль поверхности клина по направлению действия силы трения F. Соотношение конкретных значений перемещения по каждому из направлений зависит от величин углов крошения а клина и внешнего тре-
ния ф почвы. Направление абсолютного перемещения почвенных частиц, на которое кроме вышеуказанных факторов также оказывает заметное влияние и склонность подрезанной части пласта к усадке, характеризуется углом наклона V к нормали клина.
Результатом перемещения почвенных частиц по нормали и совместно с исполнительной поверхностью клина является сила усадки пласта Рус, которой противодействует сила сопротивления почвы сжатию Рсж. При достижении силой сжатия предельного значения R'сж начинается процесс смятия почвы.
п .
Рис. 1 - Схема ориентации направления абсолютного движения частиц почвы при подрезании двугранным клином
Сила, обеспечивающая усадку пласта, имеет сложную структуру, но, тем не менее, основная ее расчетная составляющая с приемлемыми допущениями характеризуется зависимостью
Рус = ЬДаср) (!)
где к — коэффициент, учитывающий физикомеханические характеристики почвы.
В практических условиях почвенный пласт может быть абсолютно несжимаем, сжимаем в умеренной степени и легко сжимаем (песчаные почвы). В первом случае угол ориентации абсолютного движения почвенных частиц равен половине угла крошения и отклонен от нормали по ходу подрезанного пласта. Сгруживание пласта перед клином исключено при любом угле внешнего трения почвы.
Во втором случае величина сжатия может принимать значения в широком диапазоне в зависимости от углов крошения клина, а также внешнего трения и состояния почвы. Разность между углом ориентации направления абсолютного перемещения и углом внешнего трения почвенных частиц может быть как положительной, так и отрицательной.
В третьем случае увеличивается вероятность того, что угол V может быть больше угла ф, а
бб
уа = 0. То есть почвенные частицы могут двигаться по направлению продольной оси пласта, и тогда произойдет сгруживание почвы.
Степень уменьшения длины пласта, движущегося по поверхности клина, характеризуется коэффициентом усадки кус. Коэффициент усадки кус представляет закономерность изменения длины почвенного пласта в результате продольного сжатия в зависимости от величин углов крошения клина и внешнего трения, а также состояния почвы (способности к сопротивлению при усадке).
Под воздействием движущегося клина частицы почвы контактного слоя совершают переносное движение б'е (см. рис. 1) совместно с клином и относительное движение Sr относительно его поверхности. На величину относительного перемещения Sr частиц контактного слоя оказывает влияние сила усадки Ру, препятствующая движению по клину.
В векторной форме абсолютное перемещение Sa частиц почвы определяется зависимостью
где Sí, — длина пути, пройденного клином.
Зависимости для конечных положений почвенных частиц сохраняют справедливость зависимостей для бесконечно малых перемещений по причине прямолинейности всех составляющих в приведенной формуле (2).
Величина относительного перемещения определяется зависимостью
Если значение 1— кус принять за коэффициент стабильности кспервоначальной длины пласта в процессе его сжатия, тогда величина абсолютного перемещения (зависимость (2) будет равна:
Угол наклона уа направления абсолютного перемещения Sa почвенной частицы к горизонту определяется по зависимости
Угол наклона вектора $а абсолютного перемещения частиц почвы к нормали п поверхности клина (угол ориентации) определяется по зависимости
Зависимость угла V от угла крошения а клина и коэффициента трения ф почвы представлена на рис. 2.
Максимальное значение силы усадки Рус наблюдается тогда, когда угол крошения а^45° и углу внешнего трения почвы ф^45°. В этом случае скольжение пласта по клину отсутствует, и он сгруживается перед клином. Частицы почвы впрессовываются в монолит поля. В расчетах принимается условие, что пласт подвергается абсолютному сжатию. Минимальные значения силы усадки Рус наблюдаются при углах крошения а^0 и внешнего трения ф^0. Сжимающие усилия не оказывают заметного влияния на подрезанный пласт, и длина его, чаще всего, остается неизменной на всем пути перемещения по исполнительной поверхности клина.
VI
Рис. 2 - Зависимость угла ориентации V направления абсолютного движения элементов пласта от угла крошения а и коэффициента внешнего трения ф почвы
Из анализа зависимости изменения угла V наклона вектора абсолютного перемещения частиц почвы к нормали п поверхности клина от углов крошения а и внешнего трения ф почвы (см. рис. 2) следует, что в результате действия силы усадки Рус на почвенные частицы, движущиеся по поверхности клина, траектория абсолютного движения последних в значительном числе случаев не совпадает с направлением той составляющей реакции почвы R, которая обусловлена только внешним трением от нормальных составляющих почвенного пласта. Утверждение об отклонении результирующей силы реакции на угол внешнего трения скольжения является частным случаем учета действующих сил.
При значениях угла V < ф и V > ф перемещение пласта по клину возможно и наблюдается в тех случаях, когда сила предельного сопротивления пласта сжатию R'сж больше силы усадки Рус, действующей со стороны поверхности клина. Превышение угла ориентации V над углом внешнего трения почвы ф объясняется интенсивным действием исполнительной поверхности клина при значительных величинах углов а, а также малыми значениями предельного сопротивления пласта сжатию R'сж.
Литература
1 Турецкий Р. Л. Резание мелиорируемых грунтов и интенсификация рабочих процессов машин для осушения и освоения земель нечерноземной зоны: Автореф. дисс... д.т.н. — Минск, 1981. — 43 с.
2 Новиков Ю. Ф. Некоторые вопросы теории деформирования и разрушения пласта под воздействием двугранного клина // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов: Труды. Т. 46. - Челябинск, 1969. - С.20-28.
3 Гячев Л. В. Теория лемешно-отвальной поверхности // Труды Азово-Черноморского института механизации сельского хозяйства. Вып. 13. — Зерноград, 1961. — 315 с.
Поскребко М. Д. Теоретические основы выбора начальных параметров лемеха в соответствии с механическими свойствами почв // Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов: Труды. Вып 33. — Челябинск: Южн.-Уральское книжн. изд-во, 1970. -С.56-67.
Сабликов М. В. Сельскохозяйственные машины. 4.2. Основы теории и технологического расчета. — М.: Колос, 1968. — 295 с.
Синеоков Г. Н. Проектирование почвообрабатывающих машин. — М.: Машиностроение, 1965. — 311 с.
