CC BY
6
УДК 631.316.22
DOI 10.24412/2311-6447-2023-1-157-161
Зависимость тягового усилия глубокорыхлителя от его геометрических форм и параметров
Dependence of deep-burner traction force on its geometrical
shapes and parameters
И.о. проректора по научной и инновационной работе И.А. Воротников, доцент A.M. Марадудин, доцент В.В. Васильчиков, доцент А.А. Леонтьев, доцент А.В. Перетятько
Саратовский государственный университет генетики, биотехнологии и инженерии имени Н.И. Вавилова, тел. S (845) 274-96-01
Acting Vice-Rector for Scientific and innovative work I.L. Vorotnikov, Associate Professor A.M. Maradudin, Associate Professor V.V. Vasilchikov, Associate Professor A.A. Leontyev, Associate Professor A.V. Peretyatko
Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov, tel. 8 (845) 274-96-01
Аннотация. Приведена методика теоретического расчета рабочего органа глубокорыхлителя стандартной конструкции. Получено выражение, позволяющее рассчитать величину общего сопротивления резанию F^ux и определить тяговое усилие глубокорыхлителя. Полученные теоретические выражения могут быть использованы для построения математической модели работы глубокорыхлителя при проектировании новых рабочих органов и оптимизации существующих.
Abstract. The method of theoretical calculation of the working element of the deep-burner of the standard design is given. The expression is obtained, which allows to calculate the value of total co-rotation by cutting Ftot and to determine the traction force of the deep chipper. The obtained theoretical expressions can be used to build a mathematical model of the work of a deep body when designing new working organs and optimizing existing ones.
Ключевые слова: глубокорыхлитель, почвообработка, рыхление, чизель, резание почвы
Keywords: deep-burning material, soil processing, loosening, teasel, soil cutting
В своем научном труде «Резание грунтов землеройными машинами» Ю.А. Ветров выделил три основных способа деформации и разрушения внутренних связей почвенного массива при механической обработке почвы: внедрение рабочего органа нормально к поверхности поля (рпс. 1, а); резание массива при перемещении рабочего органа вдоль поверхности поля (рис. 1,6); резание с отделением стружки при движении рабочею органа параллельно поверхности поля (рис. 1, в).
в)
Рис. 1. Основные виды резания почвы: а, 6 - разрезание; в -резание с отделением стргркки
€• И.Л. Воротников, А.М. Марадудин, В.В. Васильчиков, A.A. Леонтьев, A.B. Перетятько, 2023
«Л,
При работе глубокорыхлителя в полной мере присутствуют только два вида деформации (рис. 1, б, в). Первый способ (рис. 1, а) частично присутствует только при заглублении рабочего органа в землю и выходе из нее. Следовательно, при постоянной работе глубокорыхлителя в основном присутствует резание при перемещении рабочего органа вдоль поверхности поля (стойка глубокорыхлителя) и резание с отделением стружки (долото глубокорыхлителя).
Общая методика исследований основана на известных законах и принципах механики, математического анализа, механики грунтов и включает в себя разработку рекомендаций для расчета тягового сопротивления глубокорыхлителя стандартной конструкции исходя из его геометрических форм и параметров.
Для того чтобы определить тяговое усилие, надо найти общее сопротивление резанию Рабщ, которое складывается из сопротивления разрезанию массы земли Fpa3p и сопротивления резанию с отделением стружки Fp.<>:
К>бщ = £разр + Рр.о • (1)
Первую составляющую суммы сопротивлений FPa3p можно найтп по формуле, выведенной А.Н. Зелениным («Основы разрушения грунтов механическими способами») для резания сплошной среды элементарными профилями:
/ опо_™'
F„ = 10C„/>I15(1 + 0,1S) ^
,80 ' , (2) где С,а - число ударов плотномера в грунте, для которого определяется Рразр, Суд =1... 4; h - глубина резания, см; В - толщина профиля, см; а - угол резания, град.; Ка -коэффициент, зависящий от угла заострения профиля, Ка = 0,81... 1; Кт - коэффициент, учитывающий способ резания грунта (Km = 1).
Вторую составляющую Fp.<> можно определить как сопротивление резанию двугранного клина [3]:
Fp.o. = RIh + RFx + ^G-л-
где Rjn\ - горизонтальная составляющая сопротивления почвы деформации, возникающей при отрыве почвы. Циклически изменяется от нуля до некоторого максимального значения и может быть определена только исходя из опытных данных.
Rf>: - горизонтальная составляющая сопротивления, возникающего в следствии динамического давления пласта почвы на рабочую поверхность клина; величина Rf>: может быть определена по формуле:
RFx=^fL»2 smßtg(ß + q>)
8 , (4)
где а - глубина хода клина, м; h - ширина пласта, м; I - длина рабочей поверхности клина, м; g0e- плотность почвы, кг/м3; ß - угол крошения почвы, град.; ф - утол трения почвы о сталь, град.
Rgx - горизонтальная составляющая результирующей элементарных нормальных сил сопротивления почвы и сил трения на рабочей поверхности клина;
RrJX = a6/yo6tg (ß + ф)
(о)
Составляющие Rfx и Rex имеют постоянное значение прп условии работы двугранного клина в однородной по свойствам почве; усилие Rj\x периодически изменяется от нуля до некоторого максимального значения, что обусловлено циклическим характером деформации почвы под воздействием клина. Из трех вышеуказанных слагающих тягового сопротивления клина теоретически определить можно только два (Fe* и Rfx) [Синеоков Г.Н. «Теория и расчет почвообрабатывающих машин»].
Из формул (4) и (5) следует, что одним из основных геометрических параметров двугранного клина является угол крошения ß.
Далее в ходе практических экспериментов авторами [Синеоков Г.Н. «Теория и расчет почвообрабатываюпдах машин»] была получена зависимость вертикальной и горизонтальной составляющих сопротивления плоского долота от угла крошения (рис. 2).
Rx.ll:
1176,6
980.5 784.4 588,3 392,2 196,1 0
Рис. 2. Изменение величины слагающих Rx и Rz сопротивления плоского долота с увеличением угла крошения J5
Из представленных зависимостей видно, что при уменьшении угла крошения jS резко уменьшается горизонтальная составляющая силы сопротивления, а вертикальная составляющая увеличивается, но на меньшее значение. Таким образом, величина силы сопротивления при уменьшении утла крошения снижается, однако возрастает заглубляющее усилие. Это происходит вследствие разложения скорости движения клина на горизонтальную и вертикальную составляющие и замене разре-занпя (при (5 = 90°) на резание со скольжением (при jS < 90
Нельзя исключать влияние скорости на сопротивление резанию. Опыты А.И. Сургучева [2], которые проводились на суглинке при глубине резания h = 2 см, ширине резцов до 10 см и скоростях резания и = 0,1 - 1,2 м/с, показали, что величина удельного сопротивления грунтов резанию возрастает с увеличением скорости резания и угла резания. Им была выведена формула для определения удельного сопротивления резанию К:
K = K- + 0,ll'galg(fW)u'
g cosa (5|
где с/об - плотность почвы, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; a - угол резания, град.; <р' - угол трения грунта по металлу, град.; и - скорость резания, м/с.
По этой формуле были построены графики зависимости удельного сопротивления от скоростп и угла резания (рис. 3). Точке, нанесенные на графпках, взяты из опытных данных и подтверждают правильность теоретических выводов автора.
К, кПа
490
392
294
196
УЛ'
</
/ о / ; /
/ у
1
0 2 4 6 8 10 и, м/с Рис. 3. Зависимость удельных сопротивлений резанию от скорости и угла резания
На основании этого материала и исследований других авторов (В.П. Горячкина, Г.Д. Романюка, А.Н. Зеленина) можно сделать вывод, что при скорости и < 2 м/с ее влияние на сопротивление резанию невелико.
Исследования Ж.Е. Токушева показали, что увеличение скорости движения рабочих органов глубокорыхлителя (рис. 4) приводит к существенному (в 1,8-2,0 раза) возрастанию горизонтальной составляющей сил сопротивления обработки почвы Ях в интервале скоростей от 0,6 до 1,5 м/с, причем дальнейшее увеличение скорости (на интервале 1,5-2,0 м/с) способствует интенсивному росту сопротивления. При этом величина зоны рыхления практически не изменяется [1].
кН 20
10 О
к Л ** %
-л0" -в' ^ • о .. - • - Чт ■
0,5
1,0
1,5 V, м/с
Рис. 4. Изменение составляющих сил сопротивления от скорости: рабочего органа N° 1,----конструкция N2 2
конструкция
Таким образом, выражение (1) с учетом формул (2)-(5), после упрощений и преобразований примет вид:
^овш = 10СудЛи>(1 + 0ДЯ)
1-
90°-а 180°
КгКи+аЬу^ф + р)
И
ё
у
Дг
(6)
Полученное выражение (6) позволяет теоретически оценить влияние отдельных
факторов на сопротивление резанию рабочего органа глубокорыхлителя стандартной конструкции. Исходя из данной формулы, на значение Fo6m большое влияние оказывает характер обрабатываемой почвы (плотность g<,6, утол трения почвы о поверхность рабочего органа <р), геометрические параметры рабочего органа глубокорыхлителя (в частности толщина стойки В, форма ее режущей поверхности, размеры долота и угол его установки jS), а также глубина обработки h и рабочая скорость глубокорыхлителя ы, причем зависпмость от последних двух параметров носит степенной характер.
Представленные теоретические выражения могут быть использованы для построения математической модели работы глубокорыхлителя при проектировании новых рабочих органов и оптимизации существующих.
ЛИТЕРАТУРА
1. Токушев, Ж.Е. Технология, теория и расчет орудий для разуплотнения пахотного и подпахотного горизонтов почвы: дне. ... доктора техн. наук; спец. 05.20.01; запщщена 17.11.2003; утверждена 06.02.2004 / Ж.Е. Токушев; Место защиты: НИИ сел. машпностроен.; Работа выполнена: Открытое акционерное о-во, НИИ с.-х. машиностроения им. В.П. Горячкина. - Москва, 2003. - 253 с.
2. Ивженко, С.А. Теоретическое обоснование влияния односторонней заточки ножа щелереза на процесс его самоочпстки / С.А. Ивженко, A.M. Марадудин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2008. - № 6. - С. 63-65.
3. Ивженко, С.А. Сравнительный теоретический анализ типов заточки ножа щелереза / С.А. Ивженко, A.M. Марадудин / / Материалы Международной научно-практической конференцпи, посвященной 120-летию со дни рождения академика Н.И. Вавилова: Сб. науч. тр. Ч. 2. - Саратов: Наз^чная книга, 2007. - С. 232 - 235.
REFERENCES
1. Tokushev, J.E. Technology, theory and calculation of tools for decompressing arable and subsurface soil horizons: dis.... Doctor of Technology, sciences; special 05.20.01; protected by 17.11.2003; approved by 06.02.2004 /J.E. Tokushev; Place of defense: Nil sat down, mechanical engineering.; The work was completed: Open Joint Stock Company, Research Institute of Agricultural and Chemical Engineering named after V.P. Goiyachkin. - Moscow, 2003. - 253 s.
2. Ivzhenko, S.A. Theoretical justification of the influence of one-sided sharpening of a shchelezz knife on the process of its self-cleaning/S.A. Ivzhenko, A.M. Maradudin// Bulletin of the Saratov State Agricultural University named after N.I. Vavilov. - 2008. -№ 6. - S. 63-65.
3. Ivzhenko, S.A. Comparative theoretical analysis of the types of sharpening of the shchelereza knife/S.A. Ivzhenko, A.M. Maradudin//Materials of the International Scientific and Practical Conference dedicated to the 120th anniversary of the birth of Academician N.I. Vavilov: Sat. scientific, tr. PART 2. - Saratov: Scientific book, 2007. - S. 232-235.
