9.4. Энергетика техпроцесса почвенных фрез

Затраты мощности на выполнение технологического процесса почвенными фрезами складывается из трех составляющих:

N_о = N_м + N_д + N_с, (9.10)

где N_о – общая мощность; N_м – мощность на «мертвое» перемещение орудия (фрезы); N_д – мощность на отрезание и деформацию стружки почвы; N_с – мощность на отбрасывание почвы рабочими ножами.

Мощность на перемещение фрезы:

N_м = 10^–2fmυ_п, (9.11)

где f – коэффициент перекатывания (0,15–0,20); υ_п – поступательная ее скорость, м/c; m – масса фрезы, кг; 10^–2 – переводной коэффициент.

Эту мощность требуется в дальнейших исследованиях уточнить, подобно тому, как уточнили составляющую fmg в рациональной формуле В.П. Горячкина. Дело в том, что и у фрез mg  F_к – силе, воспринимаемой колесами фрезы при ее работе.

Мощность на деформацию и отрезание стружки почвы от монолита:

N_д = 10^–4каzn / 6, (9.12)

где к – удельное сопротивление почвы, мПа;  – сечение почвенной стружки, см²; а – глубина обработки; z – число ножей; n – частота вращения барабана, мин^–1.

Мощность на отбрасывание почвы ножами:

Nс = 5 ∙ 10^–4m_сV_оρ, (9.13)

где  – коэффициент отбрасывания (зависит от формы ножей: для полевого крючка – 0,75; для болотных ножей – 1,0); m_с – масса почвы, отбрасываемая за 1 с; υ_о – окружная скорость барабана, м/с; ρ – плотность почвы, кг/м³.

Подставляя в формулу (9.10) выражения (9.11)–(9.13), имеем:

Nо = 10^–2fmυ_п + 10^-4каzn / 6 + 5 ∙ 10^–4m_сυ_оρ. (9.14)

Несмотря на указанные недостатки первой составляющей, формула (9.14) используется в инженерных расчетах. При этом расчетные данные уточняются опытными.

9.5. Агроэнергетическое усовершенствование рациональной формулы силы сопротивления плугов

Академик В.П. Горячкин настоятельно рекомендовал совершенствовать его рациональную формулу (9.1) с тем, чтобы она точнее описывала реальный агроэнергетический процесс. В работе рассмотрен усовершенствованный вариант формулы, предложенный Е.П. и В.Е. Огрызковыми. Материал подробно изложен в журнале «Тракторы и сельскохозяйственные машины» (№ 8, 2000 г.).

Дело в том, что в расчетах по формуле (9.1) академики В.П. Горячкин и М.В. Сабоиков рекомендуют коэффициент f принимать в пределах 0,5–0,9, а fmg считать постоянной величиной и, исходя из этого, производить расчет величин к и E. К сожалению, эти вынужденные (из-за недостатка научных данных) некорректные допущения перекочевали в учебную литературу. И это несмотря на то, что при динамометрировании плугов в открытой борозде f оказывается значительно меньше указанных пределов, а при работе fmg не может оставаться постоянной величиной, поскольку воспринимаемая колесами сила описывается так:

Fк = Vctg (φ + з sin γ) sin γ / jфbn {d γ mg [1 – 0,1Vctg (f + i sin γ) –

– d Vн / l] + abn [ск + 2 ρV²sin (i sin γ / 2)]} – Tbфn / cos γ, (9.15)

где φ – угол трения почвы о затылочную фаску износа лезвия, затылок лемеха, град.;

з – затылочный угол на лезвие лемеха, град.;

γ и i – углы установки лезвия лемеха к стенке и дну борозды, град.;

j – коэффициент пропорциональности;

ф – ширина затылочной фаски, м;

d – коэффициент, учитывающий расположение центра массы плуга и соотношение плеч сил относительно точки его присоединения;

н – высота неровностей поля, м;

l – ее размер по основанию, м;

с – коэффициент связи горизонтальной и вертикальной сил;

Т – несущая способность (твердость) почвы на глубине работы лезвий лемехов, Па.

Расчеты по формуле (9.15) показывают, что F_к в зависимости от ф может превышать mg в 2,5–3,3 раза. Этим, кстати говоря, объясняются массовые прогибы рам плугов в начальный период освоения целинных земель. Конструкторам пришлось увеличивать жесткость балок. Теперь в отечественных и зарубежных плугах балки жесткости стали основными конструкционными элементами, обеспечивающими надежность рам, что свидетельствует о практической полезности формулы (9.15).

Далее, изменение F_к обусловливает и изменение f:

f = 0,86 [(F_кh / (zTn_кШD²)], (9.16)

где 0,86 – коэффициент Градвуда – Горячкина для колес; h – глубина их колеи, м; z – коэффициент снижения несущей способности верхнего слоя почвы по сравнению с таковой на глубине работы лезвий лемехов; n_к – число колес плуга; Ш и D – ширина обода и диаметр, м.

Формула (9.16) свидетельствует о том, что f не остается постоянным в функции F_к и определять его методом протаскивания плуга в открытой борозде некорректно, поскольку при этом не учитывается влияние меняющихся сил F_к и возникающих F₃ от смятия почвы «затылками» лемехов. Эти силы определяются по формуле:

F₃ = Tфnb sin 3 / cos γ. (9.17)

Значения F₃ в функции ф и силы сопротивления перекатывания F_к свидетельствуют о том, что в функции ф сила F_к уменьшается, а F₃ увеличивается. Это отражается на результирующей силе F_р.пл., которая практически не изменяется с образованием «затылков» ф на лезвиях лемехов (рис. 9.2). Происходит это за счет перераспределения сил F_к и F₃ внутри системы сил, действующих на плуг. А из этого следует, что бытующее в учебной литературе мнение о том, что образование «затылков» на лезвиях лемехов сопровождается резким (до 30%) повышением сопротивления плугов, нельзя считать верным.

Коэффициент E в формуле (9.1), определяющий пропорциональность между скоростью отбрасывания пласта отвалом и поступательной скоростью плуга, зависит от формы рабочей поверхности корпуса, которая, в свою очередь, обусловлена углами относительно стенки борозды. В итоге третью составляющую формулы (9.1) можно записать так:

Fо = ρаbnV²sin (γ + γ_в), (9.18)

где γ_в – разность углов установки верхней образующей и лезвия лемеха к стенке борозды (к направлению перемещения корпуса), град.

Что касается второй составляющей формулы (9.1), F₂ = каbn, то она остается без изменения и в формуле Горячкина – Огрызковых, которая в итоге имеет вид:

F_р.пл = {{Vctg (φ + 3 sin γ) sin γ / jфnb {d mg [1 – 0,1Vctg (φ + i sin γ) –

– dV н / е] + abn [ск + 2ρV²sin (i sin γ / 2)] – Tbфn / cos γ} h / (zn_кШD²)}}·

0,86 + Tфbn sin3 / cos γ + кabn + ρаbnV²sin (γ + γ_в). (9.19)

При наличии программ и инструкций для ЭВМ типа МК-61 (они приведены в указанной выше статье) или компьютера расчеты по формуле (9.19) не вызывают затруднений. Такие расчеты практически не отличаются от расчетов по формуле (9.1) – разница составляет 5–8%. Это свидетельствует о пригодности первой для научных и практических целей. В то же время формула (9.19) дает новое представление о процессе возникновения и действия на плуг сил в изменяющихся условиях его работы, являясь усовершенствованным вариантом формулы (9.1). Установлена некорректность мнения о том, что составляющая fmg в формуле (9.1) остается постоянной, а коэффициент f в ней можно определять путем протаскивания плуга в открытой борозде. То же относится к мнению о резком (до 30%) повышении силы сопротивления плуга при образовании на лезвиях лемехов затылочных фасок износа. Опытами Г.Н. Синеокова, Е.П. и В.Е. Огрызковых такое мнение в учебной литературе не подтверждается. Объясняется это тем, что в реальных условиях сила F_зо от смятия почвы затылочными фасками ф увеличивается, а сила F_пк от перекатывания уменьшается. В результате такого перераспределения внутри системы сил, действующих на плуг, результирующая сила F_р.п сопротивления его практически не изменяется (рис. 9.2) при устойчивой работе плуга по глубине хода.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приведите рациональную формулу силы сопротивления плугов.

2. Расскажите суть косвенного метода определения сил сопротивления плугов.

3. Приведите формулу по определению силы сопротивления орудий и сеялок, работающих на глубине 0,4...0,12м

4. Приведите формулу для нахождения затрат мощности фрезы.

5. Приведите рациональную формулу Горячкина.

ЛЕКЦИЯ 10

ЭНЕРГЕТИКА ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИМИ ТЕХПРОЦЕССОВ (продолжение)

10.1.Суть агротехнологической утойчивости хода почвообрабатывающих орудий по глубине обработки.

10.2. Агроэнергетическая теория технологической устойчивости хода почвообрабатывающих орудий с практическим приложением

10.1 Суть агротехнологической устойчивости хода почвообрабатывающих орудий по глубине обработки

При работе плугов, плоскорезов, культиваторов и других почвообрабатывающих орудий наблюдается нежелательное изменение их хода по глубине обработки. На участках с твердой почвой («пятна» солонцов, полевые дороги и др.) орудия самопроизвольно выглубляются, а после прохода этих участков вновь заглубляются. С увеличением неровностей полей и износа рабочих органов эта технологическая неустойчивость хода увеличивается. Она снижает качество работы, не устраняется регулировками, сопровождается порчей полей. Особенно это заметно на полях с небольшим пахотным горизонтом. В таких случаях в пахотный горизонт вовлекается менее плодородная почва подпахотного горизонта. В результате снижается плодородие пахотного горизонта и урожайность. У пшеницы, например, она резко снижается при колебаниях хода плуга по глубине обработки, начиная с 0,02 м. Так технологическая устойчивость хода почвообрабатывающих орудий влияет на агроэкологическую среду, ухудшая ее. Вред от нее очевиден. Поэтому исследователи много сил и времени потратили на решение этой проблемы. К сожалению, использовались при этом лишь известные методы кинетостатики и представления об обычной устойчивости механических систем.

Из рис.10.1 следует, что устойчивое 2 (или неустойчивое) колебание механической системы идет относительно прямой 1.

Рис. 10.1 Рис. 10.2

Технологическая же устойчивость (рис.10.2) отличается от обычной тем, что колебания идут не относительно прямой, а относительно кривой 2, в идеальном случае повторяющей кривую 1 неровностей поля. Физический смысл технологической устойчивости состоит в том, чтобы орудие сохраняло заданную глубину обработки (а₁ = а₂ = а₃) относительно кривой 1, колеблясь относительно идеальной кривой 2 (дна борозды) по асимметричной амплитуде кривой 3. Асимметричность кривой 3 обусловлена колесами орудия. Они ограничивают заглубление, в то время как выглубление орудия идет без такого ограничения.