Повышение эффективности технологического процесса движения почвы по лемеху почвообрабатывающей рыхлительно-сепарирующей машины.

Постановка проблемы. Предпосевная обработка почвы обычными орудиями сопровождается перераспределением мелких и крупных частиц по глубине обрабатываемого слоя. Рабочие органы орудий, перемещаясь в почве, выталкивают крупные комочки на поверхность, а мелкие просыпаются вниз. С увеличением количества обработок перераспределение частиц почвы, то есть её сепарация по глубине обработки, усиливается. Причем многократные обработки почвы перед посевом приводят к увеличению числа крупных частиц почвы в зоне заделки семян, что является нежелательным. Поэтому проводить обработку почвы перед посевом глубже величины заделки семян нецелесообразно.

Известна почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая машина разработанная В.Ф. Пащенко (рис. 1).

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Рис. 1. Машина почвообрабатывающая рыхлительно-сепарирующая «Докучаевская» ПРСМ-5 (стратификатор)

В своих исследованиях В.Ф. Пащенко обосновал профили почвообрабатывающих рабочих органов машины для создания рациональных агрофизических свойств почвы. Технологическая схема известной машины ^[1] для создания рациональных агрофизических свойств почвы приведена на рисунке 2. Рабочие органы машины включают подрезающую лапу 1, сепарирующую решетку 2 и ротор 3. Сепарирующая решетка выполнена из прутков, расположенных друг от друга на определенном расстоянии.

Рис. 2. Технологическая схема машины для рационализации агрофизических свойств почвы: 1 – подрезающая лапа; 2 – ротор;3 – сепарирующая решетка

Работает машина следующим образом. При движении машины, установленный на стойке лемех подрезает пласт почвы снизу и подает его к рыхлительно-сепарирующему устройству. Ножи ротора захватывают почву, перемещают ее по сепарирующей решетке с одновременным ее крошением. При ворошении почвы на сепарирующей решетке ножами ротора крупные ее частицы и корневища растений выталкиваются на поверхность, мелкие — просыпаются вниз. Однако, при глубине обработки от 3 до 12 см движение почвы по подрезающей лапе затруднено из-за образовывающегося перед ней почвенного валка. Почва сгруживается и рассыпается в стороны, перемещение почвы к рыхлительно-сепарирующему устройству ухудшается с уменьшением глубины обработки. В связи с этим возникла необходимость изыскания новых рабочих органов для подрезания и подъема почвы.

Анализ исследований и публикаций. Основы теории почвообрабатывающего клина были заложены В.П. Горячкиным.

Г.Н. Синеоков подробно изучил вопрос стружкообразования при резании клином^[6].

Впервые исследования механического подъема почвы отрывом производились в 1941 г. в МГУ ^[2]. За основу было принято предложение А.Д. Афанасьева – отрыв почвы без его горизонтального подрезания тонкими дисками, расположенными в вертикальной плоскости, при их вращательном движении.

Принципиальная возможность механического подъема почвы отрывом двумя параллельно расположенными свободно вращающимися дисками доказана лабораторными опытами, выполненными в МАДИ ^[3]. Опыты показали, что при вращающихся дисках сопротивление резанию почвы на 31% меньше, чем при неподвижных.

В исследованиях Ф. М. Конарева ^[4] рассмотрен процесс взаимодействия вращающегося плоского диска с неподвижными частицами почвы. Одновременное использование параллельно расположенных свободно вращающихся дисков вместе с лемехом для механического подъема и движения почвы мало изучено.

Основной материал. Рабочие органы для подрезания и подъема почвы известной почвообрабатывающей машины, не обеспечивают должным образом движение почвы по подрезающей лапе при глубине обработки от 3 до 12 см. В связи с этим и возникла необходимость в дальнейшей разработке рабочих органов для их применения в различных вариантах использования в технологиях механизированной обработки почвы.

Для того, чтобы почва не сгруживалась и не рассыпалась в стороны, с обеих сторон лемеха необходимо установить пассивные вращающиеся диски .

Плоские диски применяют в качестве основных и дополнительных рабочих органов. В данном случае применение плоских свободновращающихся дисков рассматриваем, как дополнительный рабочий орган, который работает следующим образом (рис. 3).

При движении машины, установленные на раме 6 через кронштейн 7, плоские свободновращающиеся диски 1 внедряются в почву и перекатываются в ней, при перемещении своей оси в направлении, вращения ротора 4. Вращательным движением диски 1, способствуют отрыву почвы, поджатой между ними, от массива, и далее движению ее по лемеху. Одновременно установленная на стойке 3 закрепленной на раме 6, стрельчатая лапа (лемех) 2, обеспечивает их заглубление, подъем слоя почвы оторванной от массива плоскими свободновращающимися дисками 1 , которая поднимаясь, частично крошится, образовывая почвенное ядро перед лемехом, движется, попадая на сепарирующую решетку 5. Также направляющие диски 1 ограничивают сгруживание почвы с лемеха на стороны.

Рис. 3. Принципиальная схема машины: 1 – направляющий плоский диск;

2 – лемех; 3 – стойка; 4 – роторный рабочий орган; 5 – сепарирующая решетка; 6 – рама; 7 – кронштейн

Ножи ротора 4 захватывают почву, крошат и перемещают ее по решетке. Мелкие комочки проходят через зазоры сепарирующей решетки, при этом на поверхность почвы выбрасываются крупные комки, пожнивные остатки, и растения с корнем, в том числе и корневища сорных растений. В результате происходит сепарация обрабатываемого слоя почвы, расслоение его по структурному составу, уничтожение сорных растений путем их механического вычесывания из обрабатываемого слоя почвы, без повреждения корневой системы, а на поверхности образуется из пожнивных остатков мульчирующий слой.

Примененный в данном случае лемех представляет собой двухгранный прямой плоский клин, который характеризуется такими параметрами: угол

подъема и длина lл (рис. 4).

Рис. 4. Двухгранный прямой плоский клин

Последние должны быть выбраны с учетом обеспечения движения почвы по лемеху с минимальными затратами энергии. Как известно, для движения почвы по лемеху должно выполняться условие

(1)

где

φ – угол трения почвы по рабочей поверхности лемеха;

– угол подъема почвы.

Учитывая то, что угол трения φ для разных почв меняется в пределах от 14 до 42⁰, угол подъема α, согласно неравенству (1) может изменяться в относительно больших пределах. Причем, с уменьшением угла подъема α длина лемеха lл, увеличивается.

Эксперименты, проведенные М.Е. Мацепуро и И.В. Манютой^[5], показали, что при подъеме почвы на высоту h имеется такое сочетание угла подъема α и длины лемеха lл, при котором сила сопротивления рационального угла подъема зависит от значения угла трения.

Зависимость составляющей силы сопротивления почвы Rлх движению клина, вызванной весом пласта и силами трения, от угла трения φ и угла подъема α была установлена Г.Н. Синеоковым ^[6].

(2)

где

Rлх – сила сопротивления почвы движению лемеха

a – глубина хода лемеха, м;

b – ширина лемеха, м;

γоб – объемный вес почвы, Н/м3.

Для отыскания минимального значения силы сопротивления Rлх исследуем уравнение (2) на экстремум. При этом получим

После соответствующих преобразований получим кубическое уравнение

В результате решения кубического уравнения с помощью формул Кардана получено такое выражение для экстремального угла подъема α

(3)

Для того, чтобы определить характер экстремума, найдем значение второй производной уравнения (2). При этом получим

Подставляя значения угла подъема α из выражения (3) в полученное уравнение, найдем

Следовательно, при значениях угла α, определяемых выражением (3), будет иметь место минимальное значение сопротивления лемеха. Для большей наглядности характер изменения экстремального значения угла α в зависимости от угла трения φ, выраженной уравнением (3), можно представить графически (рис. 5).

Рис. 5. Характер изменения экстремального значения угла α в зависимости от угла трения φ

Таким образом, принципиально можно получить для каждого значения угла трения значения угла подъема почвы лемехом при котором сопротивление последнего будет минимальным.

Но так как угол трения φ не является на всех участках поля постоянным, а усредненное его значение составляет примерно 26⁰30´, то угол подъема α можно принять равным 24⁰ – 26⁰. Длина лемеха определяется по формуле

(4)

где

lл – длина лемеха, м

h – высота подъема почвы лемехом, м

Рис. 6. Схема расположения лемеха и направляющих дисков для подрезания и подъема почвы: 1 – лемех, 2 – направляющий диск

Направляющие диски будут способствовать движению почвы по лемеху в том случае, если проекция их окружной скорости на нормаль к лемеху будет равняться нулю или направлена вверх. Если последняя будет направлена вниз, то диски будут захватывать почву и прижимать ее к лемеху, что вызовет увеличение сил трения почвы о поверхность лемеха и затруднит ее движение. Следовательно, для того, чтобы это явление не имело места необходимо, чтобы диск по отношению к лемеху был установлен в таком положении, при котором проекции скоростей точек диска отвечали бы выше изложенному требованию. Это требование будет соблюдаться при условии (рис. 6).

Тогда из треугольника ОА/В имеем

где

rd – радиус направляющего диска, м.

l1 – расстояние между диском и лемехом, м

Выводы. Проведены теоретические исследования и анализ влияния некоторых варьируемых конструктивных факторов, на качественные показатели рабочих органов для подрезания и подъема почвы, обеспечения движения ее по лемеху. Критериями оценки качества технологического процесса являются отсутствие эффекта сгруживания почвы с обеих сторон лемеха, обеспечение движения почвы по лемеху с минимальными затратами энергии.