УДК 631.3.06
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ПОДПАХОТНЫХ СЛОЕВ ПОЧВЫ
М. Б. ХАЛИЛОВ, канд. техн. наук, доцент
Ш. М. ХАЛИЛОВ, студент
ФГБОУ ВПО «Дагестанский ГАУ имени », г. Махачкала
STUDY OF SUBSURFACE SOIL DEFORMATION
KHALILOV M. B., Candidate of Engineering, Associate Professor
KHALILOV Sh. M., student
Dagestan State Agrarian University named after Dzhambulatov M. M., Makhachkala
Аннотация: В работе рассматривается процесс обработки почвы, как абразивной среды, и механизм образования затылочной фаски. Рассмотрен процесс взаимодействия почвы и рабочих органов почвообрабатывающих машин, имеющих износ лезвия лемеха. Раскрыта механика образования «плужной подошвы» и уплотнения подпахотных слоев почвы под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Приведены результаты теоретических исследований кинематики почвенной частицы под воздействием затылочной фаски и деформирования подпахотных слоев почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин. Получены аналитические зависимости для определения характеристик деформации почвы, глубины распространения деформации и энергозатрат на деформирование почвы.
Установлена зависимость предельной глубины распространения деформации от коэффициента объемного смятия почвы, предельного напряжения упругой деформации почвы и интенсивности рассеивания деформации в почве.
Annotation: The article studies the process of tillage where the soil is an abrasive medium, and the mechanism of formation of an occipital facet. The process of interaction of soil and working bodies of tillers with coulter blade wear is considered. The mechanics of "plow pan" formation and subsoil compaction of soil layers under the influence of the working bodies of tillers is disclosed.
The results of theoretical studies of the kinematics of soil particles under the influence of occipital facet and deformation of subsoil layers by soil tillers working bodies are presented. The analytical dependences to determine the deformation characteristics of the soil, depth of distribution of deformation and energy losses on the deformation of the soil are revealed. The dependence of the maximum depth of deformation distribution on the coefficient of volume soil collapse, maximum tension of elastic soil deformation and intensity of deformation distribution in the soil is established.
Ключевые слова: рабочий орган, сила, деформация, почва, затылочная фаска, энергозатраты, почвообрабатывающие машины, угол крошения, перемещение, коэффициент объемного смятия почвы.
Keywords: working body, strength, deformation, soil, occipital facet, energy losses, tillers, angle of shattering, coefficient of volume soil collapse.
В процессе обработки почвы лемеха, долота и другие детали рабочих органов почвообрабатывающих машин воспринимают большие нагрузки, так как они, воздействуя на обрабатываемый пласт, деформируют его, в результате чего он разрушается, скалывается, сминается и т. д. При воздействии клина (лемеха, долота, рабочего органа) впереди него формируется фронт деформации пласта [1,3]. При этом они (лемеха, долота) работают в абразивной среде и подвергаются механическому абразивному изнашиванию. Так как твердость металла, из которого изготовлены рабочие органы почвообрабатывающих машин, меньше твердости абразивных частиц, то происходит микрорезание. Коэффициент трения при этом может находится в пределах fтр = 0,2 - 0,6, а шероховатость - до 7-8 класса. Под действием процесса изнашивания изменяются геометрические параметры лезвий лемехов, т. е. величины и формы углов при вершине клина, что приводит к увеличению тягового сопротивления, неустойчивому ходу орудия по глубине обработки. Под действием процесса изнашивания лезвия (передней грани) лемеха, крыла культиваторной лапы, плоскореза и т. д. возникает затылочная фаска, образующая отрицательный угол резания - е3 (угол затылочной фаски) (рис.1). Величина этого угла е3 может достигать от 10…120 до 200 .
Рассмотрим процесс взаимодействия почвы и рабочих органов почвообрабатывающих машин, имеющих износ лезвия лемеха.
Допустим, лемех установлен на глубине обработки - а0 и имеет угол крошения равный - б. В результате процесса изнашивания лезвия лемеха толщиной b образовался отрицательный угол крошения - е3 .
Слой почвы а0 при этих условиях делится на две части: слой толщины а, находящийся выше уровня т. А; и слой h, находящийся ниже уровня т. А.
В процессе обработки почвы рабочий орган движется со скоростью Vагр.. При этом частицы почвы, находящиеся выше уровня т. А, движутся по передней грани лемеха вверх к поверхности почвы, значит, и вектор скорости направлен к поверхности почвы. Частицы почвы, расположенные ниже уровня т. А, движутся вдоль, образовавшейся в результате износа грани - АВ. Вектор скорости этих частиц направлен ко дну борозды.
При этом плотность почвы в слоях, лежащих выше т. А уменьшается, т. е. происходит крошение и рыхление пласта - а, его толщина становится равной а1 :
а< а1
Слои почвы, лежащие ниже т. А, уплотняются и после обработки почвы (прохода рабочего органа) они становятся меньше на величину h. Причем плотность этого слоя минимальна в т. А и максимальна в т. В. Считая, что удельное давление возрастает от т. А к т. В пропорционально уменьшению объема почвы под воздействием затылочной грани лезвия лемеха рабочего органа почвообрабатывающей машины, можно утверждать, что в слоях ниже т. А реализуются деформации сжатия и смятия.
Для определения сил реакции почвы можно использовать выражение [2, стр. 40]:
Rz=0,5qh2b(ctgе3-tgц)
Rx=0,5qh2b(tgц ctgе3+1), (1)
где q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3
h – толщина сминаемого слоя, м,
b – ширина захвата клина (лемеха), м
е3 – угол затылочной фаски, град
ц – угол трения почвы о сталь, град.
Рассмотрим элементарный объем почвы как сплошной среды и предположим, что скорость движения частицы почвы перпендикулярна затылочной поверхности, при условии отсутствия трения, а с учетом трения, направление движения почвенных частиц характеризуется углом к горизонтали (Рис.2):
б1 =90- е3- ц. (2)
При перемещении клина (лемеха) на расстояние ∆ℓ элементарный объем почвы переместится по оси ОХ, направленной параллельно дну борозды, на расстояние - ∆Х, а по оси 
, направленной перпендикулярно дну борозды, на расстояние - ∆Z.
С учетом угла трения ц эти перемещения будут равны:
∆Х=(∆ℓ ·sin е3/ cos ц) · Sin(е3+ ц)
∆Z=(∆ℓ ·sin е3/ cos ц) ·Cos (е3+ ц) (3)
Из условий деформирования почвы имеем, что максимальное вертикальное перемещение частицы почвы Zmax=h, тогда его горизонтальное перемещение
Хmax= htg(е3 + ц ) (4)
Под действием сил q пласт почвы деформируется. При этом происходит сжатие и смятие почвы. Упругие деформации почвы при этом незначительны, и ими можно пренебречь.
Рассмотрим пласт почвы, как состоящий из n - слоев, каждый из которых деформируется под действием сил воспринимаемых данным слоем.
Для сплошной однородной среды соблюдается условие:
da1 > da2 > da3 >… >dan (5)
Это условие означает, что самый верхний слой почвы (находящийся ниже лезвия рабочего органа) деформируется больше, чем нижележащий слой. Глубина распространения зоны деформации аq зависит от механического состава почвы и его агрофизических свойств, в частности, наибольшее влияние на аq оказывает влажность почвы и механический состав. Влажность почвы так же влияет на угол ш, характеризующий интенсивность рассеивания деформации.
Угол ш и интенсивность рассеивания деформации почвы также зависят от плотности почвы в данном слое. Чем больше плотность почвы тем меньше его деформации и больше значения угла ш. Соответственно изменяется и значение аq. В простейшем случае, когда угол ш можно принять постоянным, напряжение сжатия элемента почвы под лемехом шириной – bл с единичными размерами в слое 1 равно у1= q, а на глубине аq напряжение сжатия почвы
, [Па] (6)
Предполагаем, что зона деформации почвы проникает на такую глубину, на которой напряжение сжатия почвы таково, что не наблюдается остаточная деформация. Если принять напряжение в самом ниженем n - ном слое - уn, равной напряжению, при которой наблюдается лишь упругие деформации т. е.
уn = уупр,
то можно вычислить максимальную глубину распространения деформации
(7)
Зная силы, действующие на единицу длины лемеха и длину лемеха bл, можно определить затраты энергии на деформацию пласта как произведение силы сопротивления почвы воздействию затылочной фаски лемеха на пройденный лемехом путь – S. Сила Rx (1) направлена параллельно направлению движения, а проекция силы трения почвы Fтр о затылочную поверхность, образовавшуюся в результате износа, на ось, параллельную направлению движения, равна:
Cos е3 (8)
С учетом (1) энергозатраты Eдпп на деформацию пласта почвы, лежащего ниже уровня т. А (Рис. 1), определяются из выражения:
Eдпп = S(Rx + Fтрx ). (9)
Анализ показывает, что Eдпп зависит от коэффициента объемного смятия почвы – q, на который оказывают влияние влажность, механический состав почвы и т. д.; степень износа лемеха, который может быть оценен высотой затылочной фаски – h, а также конструктивные параметры рабочих органов –bл.
Для рабочих органов, не осуществляющих сплошное подрезание почвы, энергозатраты - Eдпп значительно меньше. К таким орудиям можно отнести дизельные культиваторы и плуги. Для них в первом приближении энергозатраты - Eдпп будут в к = В/(nbч) ( B - ширина захвата орудия, n - количество, а bч – ширина захвата чизельных рабочих органов) раз меньше, чем для орудий со сплошным подрезанием пласта почвы.
Список литературы:
1. , Теоретическое исследование динамики клина и энергозатрат при высоких скоростях обработки почвы // Проблемы развития АПК региона.- 2011.- №4.- С.52-56.
2. Проектирование почвообрабатывающих машин.- Москва: Изд-во «Машиностроение», 1965. -312с.
3. Обоснование длины долота ротационного зуба // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2005.- №8.- С.34-35.
