Обоснование технологического процесса предпосевной обработки почвы и конструктивно-технологических параметров комбинированного агрега

Исходя из разработанного технологического процесса и агротребований предложена конструктивная схема комбинированного агрегата (рис. 1, а). (Третий этап – образование гребней выполняется отдельно культиваторами-окучниками).

Разработанный  комбинированный  агрегат состоит из чизельных рабочих органов и дискового приспособления (рис. 1, а).  

Значительный вклад  в создание дисковых агрегатов и  их рабочих органов внесли известные  ученые, такие как Бурченко П.Н., Егоров В.Г., Ф.М. Канарев, Кленин Н.И., П.С. Нартов, И.М. Панов, Сизов О.А., Г.Н. Синеоков, В.Ф. Стрельбицкий, Халанский В.М.,  R.J. Godwin, W.R. Gill, M.S. Sommer и другие. 

Благодаря сложному движению дисковых рабочих органов в пространстве они имеют следующие технологические преимущества: высокая степень крошения и перемешивания почвы,   малая склонность к забиванию растениями и почвой, способность перерезать стебли растений; универсальность, позволяющая использовать их для различных видов обработки и т.п.

Установлено, что наиболее эффективными на предпосевной обработке  орошаемых почв проекта «Джазира»  являются сферические диски с  гладкими режущими кромками и с цельными поверхностями. Индивидуальная установка  дисков позволяет улучшить степень крошения почвы, обеспечить качественный оборот и укладку пластов. Обоснован способ установки диска на индивидуальных стойках, что дает возможность изменять углы атаки и наклона дисков, расстояние между дисками.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема комбинированного агрегата (а)  и

его технологическая схема (б):

1 – рыхлительные лапы; 2 – дисковое приспособление; 3 – рама  приспособления; 4 – основная рама агрегата; 5 – навеска агрегата; 6 – рыхлый, перемешенный поверхностный слой (до 15 см); 7 – рыхлый срединный слой (15–25 см); 8 – плотный слой (> 25 см).

 

Основными геометрическими  параметрами сферического диска (рис. 2)  являются:  диаметр диска D,  радиус кривизны  R, угол заострения ί, толщина диска δ, угол при вершине сектора 2φ, угол атаки α, угол наклона β, расстояние между смежными дисками вдоль геометрической оси  и  между осями b и e.

Г.Н. Синеоков, П.С. Нартов, Ф.М. Канарев и др.,   указывая   на  взаимосвязь  между   основными  параметрами, качеством и энергоемкостью дисковых рабочих органов, установили математические и графические зависимости для расчета их рациональных  параметров. Однако формулы и графики получены ими либо при вертикальной установке диска, либо при индивидуальной установке в случае ступенчатного расположения дисков.

Для обоснования параметров дискового приспособления необходимо было решить следующие теоретические  задачи:

-  обосновать геометрические  параметры дисков (D, R, δ, ί);

-  уточнить пределы  регулирования  технологических  параметров дисков (α и β);

- обосновать функциональную  зависимость качественных и энергетических  показателей работы от расстояния  между дисками;

- обосновать рациональное  продольное расстояние между  чизельными лапами и дисками  приспособления.

Во третьей главе «Теоретическое обоснование  основных параметров рабочих органов предложенного агрегата» определены теоретические параметры рабочих органов.  

 

 

 

                                                      

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Основные геометрические и установочные параметры сферического диска:

а – геометрические параметры; б – установочные параметры

 

          Диаметр диска D, обеспечивающей максимальную глубину обработки, рассчитан по формуле:

D = (К · а / cos β) К_п

где К – коэффициент пропорциональности; а – максимальная глубина обработки; β – угол наклона диска; К_п – коэффициент, учитывающий изнашивание за срок службы.

          При К=3, β=15°, К_п=1,1 диаметр диска равен: D = 510 мм.

Радиус сферы диска R определен по формуле, полученной из уравнения Ф.М. Канарева. После его преобразования и полагая в нем tg ε_а = 0 (при этом затылочная часть диска не будет опираться на стенку борозды); получим:

 

 

 

где C_min – отношение   диаметра  к    радиусу        кривизны      диска      (D / R);

а₁ = 1 – 2 а / (D cos β).

Для установления степени влияния углов атаки и наклона для диска диаметром 510 мм, при глубине а_мах =15см, проанализированы графики (рис. 3), построенные по формуле (1).

Установлено, что увеличение угла атаки α дает возможность применения диска с большей вогнутостью. Угол наклона диска оказывает незначительное влияние на значения коэффициента C_min.

Согласно практике, значения угла атаки для дисковых орудий, выполняющих предпосевную обработку, целесообразно принять в пределе α = 25…35°. В данном случае расчет радиуса кривизны R, проведенный по формуле (1) для диска D = 510мм при α_min = 25° , β = 11-15° и а_мак = 15 см, показывает, что C_min= 0,85-0,83 и, соответственно, R_min = 600-612 мм.

Уточнение критического значения угла атаки проведено по методике O`Dogherty M. J. и Godwin, W.R. (США),  оно составляет приблизительно 24°.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Изменения C_min (D/R) в зависимости от угла

атаки α при различных углах наклона β

 

Толщина диска δ определена по эмпирической зависимости Г.Н. Синеокова:         δ = 0,008 D + 1 ≈ 5 мм.

Угол  заострения ί , согласно практике, принят равным среднему значению 15°.

Выбор осевого расстояния между дисками обусловлен, с одной стороны, устранением заклинивания почвы между дисками, с другой – приемлемой гребнистостью поверхности дна борозды.

Минимальное расстояние между дисками вдоль оси b_min определено по известному условию, исключающему заклинивание пласта и отдельных глыб почвы между дисками: b_min ≥ 1,5а, где а – максимальная глубина обработки. Следовательно, в нашем  случае b_min ≥ 225 мм.

Максимальное расстояние между  дисками вдоль оси b_мах в случае установки общей геометрической оси дисков под углом к линии тяги можно определить по формуле Г.Н. Синеокова, предложенной для дисковых плугов, полагая в ней e = 0 (см. рис. 2):

                 b_мах = 2 [h / cos β (D – h / cos β)]^1/2 tg α                            (2)

или                            

                                  h = cos (β/ 2) {D – [D² – b²_мах ctg² α]^1/2}                     (2, а),

где h – высота гребней на дне борозды, которая по агротребованиям должна быть минимально возможной.

Однако, эти зависимости не отвечают случаю установки дисков на общей геометрической оси, перпендикулярной к линии тяги. Для этого случая нами по геометрическим отношениям установлена следующая формула:

    b_мах = [h / cos β (D – h /cos β)]^1/2sin 2α                              (3)

или                               

                         h  = cos (β / 2) {D – [D² – 4 b²_мах/ sin²2α]^1/2}                   (3,а)

Для сравнения результатов расчета b_мах  по этим формулам построены графические зависимости высоты гребней h от расстояния между дисками b при различных углах атаки α  (при β =13°) (рис. 4).

 Из графиков видно, что в обоих случаях увеличение расстояния между дисками b приводит к увеличению высоты гребней, т.е. к ухудшению ровности профиля дна борозды, причем увеличение  значения угла атаки улучшает ровность профиля дна борозды. При расстоянии между дисками b ≥ 225 мм  высота  гребней  равна глубине обработки, за исключением угла атаки α ≥ 30° при общей геометрической оси дисков под углом к линии тяги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Зависимость высоты гребней h от расстояния между

дисками b:  а) – по формуле (2,а); б) – по формуле (3,а)

 

Определено критическое расстояние между дисками приспособления и лапами чизельного культиватора. Для предотвращения неустойчивости технологического процесса (сгруживание, образование почвенного вала и забивание дисковых рабочих органов почвой  и растительными остатками) режущие кромки дисков должны входить в поверхностный слой в точке р (рис. 5). В этом случае минимальное (критическое) расстояние: 

                                                ℓ_кр = L + r                                                     (4)

где L – длина почвенного вала, образуемого лапой; r – радиус диска.

Составляющие скорости падения почвы v_r в   точке р:         

v_y = dy / dt = v_r cos θ;  v_z = dz / dt = v_r sin θ,

где θ – угол отбрасывания элементов пласта почвы, который  равен углу крошения почвы лапой; v_r – скорость отбрасивания почвенного элемента.

  

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 - К определению критического расстояния между

дисками   и чизельными лапами

 

  Уравнения движения пласта почвы после его отрыва от лапы:         

y = (v_r cos θ) t  и z = z_max + v_r t sin θ – gt² / 2,

где g – ускорение свободного падения; z_max – максимальная высота подъема почвы до момента его отрыва от стойки лапы.

Исключив в этих двух уравнениях время t и подставив значения z = 0 и y = L в момент укладки элементов пласта почвы в точке р, получим:

        L² – (v_r² sin 2θ / g )L – (2 z_max v_r² / g) cos² θ = 0                 

Решение этого уравнения имеет вид:

           L = (v_r /g) cos θ{ v_r sin θ ± [v_r² sin² θ + 2g z_max]^1/2}                (5)

Величина r является радиусом диска (см. рис. 5):  r = D cosα / 2        (6)

Подставив (5) и (6) в формулу (4), найдем:

  ℓ_кр = (1/g)v_r cos θ {v_r sin θ ± [v_r² sin²θ + 2gz_max]^1/2} + D cos α / 2           (7)

Величины  z_max и v_r  можно   определить   по   формулам,    предложенным П.Н. Бурченко и Д.А. Шалманом: z_max = (v²/g + R_ct) / 3;  v_r = v / ℮^f.θ ,

где v – скорость движения орудия; R_ct – радиус изгиба стойки лапы; f – коэффициент трения почвы по металлу; θ – угол крошения почвы лапой.

Уравнение (7) устанавливает связь параметров  комбинированного агрегата с его поступательной скоростью и свойствами почвы.

Для анализа этого уравнения и уточнения критического расстояния ℓ_кр между дисками приспособления и чизельными лапами выполнены расчеты по этой формуле для диска диаметром D = 510 мм при угле атаки α = 25-35°, угле  крошения θ = 15°, радиусе  изгиба стойки R_ст = 20 см. Почва – иловато-легкоглинистая вертисоль с коэффициентом трения по металлу f = 0,6 (φ_m=29°). По результатам расчета построены графики (рис. 6), из которых видно, что режим работы орудия существенно влияет на критическое расстояние ℓ_кр. Угол атаки практически не влияет на него.

В  случае применения устройства для регулировки углов атаки и наклона

диска,   расстояние    ℓ_кр    необходимо рассчитывать при минимальном угле атаки и максимальном угле наклона диска.