4789

УДК 630*.35.011.54/75

Бартенев И. М. Научные исследования в области перспективных технологий и механизации работ в лесном комплексе [Электронный ресурс]: методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 15.03.02 Технологические машины и оборудование / И. М. Бартенев, Р. В. Юдин. – Воронеж: ВГЛТУ, 2018. – 40 с.

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО ВГАУ имени Петра I, докт. техн. наук, проф. Д.Н. Афоничев

2

3

Введение

Целью изучения дисциплины «Научные исследования в области перспективных технологий и механизации работ в лесном комплексе является повышение научной подготовки студентов и научного уровня будущего инженера на основе изучения современных методов научных исследований технологий и механизации различных видов работ и процессов, развития навыков самостоятельного решения научно-технических задач.

В данных методических указаниях рассматриваются методики выполнения исследования физико-механических и технологических свойств почвы, формы и параметров плужных лемешно-отвальных корпусов, сферических дисков для основной и дополнительной обработки почвы, стрельчатых и рыхлительных лап культиваторов, различных типов высевающих аппаратов, режимов работы лесопосадочных машин. Также изложена методика обработки экспериментальных данных и построения графических зависимостей.

Практические занятия проводятся на технической и экспериментальной базе кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин с использованием почвенного канала, различных установок, разработанных аспирантами кафедры.

4

Занятие № 1.

Определение твердости и коэффициента объемного смятия почвы

1.1.Физико-механические свойства почвы

Почва включает твердую, жидкую и газообразную фазы. В зависимости от крупности частиц твердой фазы почвы бывают песчаные, щебенистые, каменистые и хрящевые. Глина состоит из частиц размером менее 0,00001 мм.

Связность – способность частиц почвы удерживаться друг около друга и этим самым сопротивляться механическим воздействиям.

Пористость или скважность – это отношение объема всех пор, заполненных водой и воздухом Vр, к объему почвы V0, определяется по формуле (1.1).

Скважность структурной почвы составляет 50…60 %. Тяжелые глинистые имеют меньшую скважность, песчаные – большую.

Поры бывают внутри структурных комочков и в промежутках между ними. Интенсивное рыхление увеличивает пространства между комочками, что приводит к удалению влаги из почвы, что нужно на влажных почвах и вредно для сухих песчаных.

Абсолютная влажность – количество воды, которое содержится в почве, определяется по формуле (1.2).

где: mв и mс – масса влажной и сухой почвы.

Структурные почвы хорошо переходят в состояние оптимальной влажности (15 %), соответствующей наименьшему сопротивлению почвообработке. Глинистые почвы тяжело отдают влагу, песчаные, наоборот, быстро пересыхают. Дренированными называются почвы, абсолютная влажность которых составляет для чернозёмов 14-24 %, серых и бурых – 17-23 % и каштановых 13-20 %.

Плотность почвы – вес 1 см3.

1.2.Технологические свойства почвы

Твердость почвы – это ее способность сопротивляться проникновению твердого тела под действием усилия.

5

Поскольку для почвы определение ее сопротивления каждому виду деформации (изгибу, смятию, сдвигу, сжатию и др.) в отдельности затруднено или вообще невозможно, то для того, что бы охарактеризовать сопротивление почвы обработке, используется параметр «твердость». Твердость является параметром, включающим в себя все виды сопротивлений, которые преодолевают взаимодействующие с почвой рабочие органы почвообрабатывающих машин.

При вдавливании в почву твердого тела, например, круглой шайбы (пуансона), усилие, потребное для вдавливания Р, изменяется с изменением глубины погружения пуансона h. Если по оси ОХ откладывать глубину погружения пуансона, а по оси OY – усилие, потребное для вдавливания Р, то получится график, показанный на рис. 1.1. Тонкими линиями показаны экспериментальные графики, полученные в результате определения усилия твердомером, жирной линией ОАВ показан график, построенный по средним величинам экспериментальных графиков.

Рис. 1.1. Зависимость усилия, потребного для вдавливания пуансона в почву, от глубины погружения пуансона P f h

Из графика видно, что на участке ОА, до глубины погружения пуансона hА, усилие Р увеличивается. Это обосновывается формированием зоны уплотнения под пуансоном. В зависимости от типа и состояния почвы усилие Р на участке ОА может изменяться по линейной, квадратичной, степенной, параболической, синусоидальной, тангенциальной или другой зависимости.

Начиная с точки А, пуансон продолжает погружаться в почву практически при постоянном усилии, соответствующем пределу несущей способности почвы.

Твердость почвы определяют по формуле (1.3) как отношение среднего усилия, необходимого для вдавливания в почву пуансона, к его площади:

где Т – твердость почвы, Н/см2; Рср – среднее усилие при погружении штампа, Н; S – площадь пуансона, мм2.

По величине твердости почвы определяют, какое сопротивление почвообработке может иметь орудие при работе на данном участке.

6

Коэффициент объемного смятия q почвы – это отношение усилия Pa,

требующегося для вдавливания наконечника на глубину ha (См), соответствующую пределу несущей способности почвы, к произведению

ha S , определяется по формуле (1.4):

Пластичность – свойство почвы деформироваться под действием внешних сил или сохранять деформированное состояние после прекращения их действия.

Упругость – свойство почвы сохранять свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.

Липкость – способность почвы прилипать к рабочим поверхностям рабочих органов, определяется по формуле (1.5).

Внутреннее трение – трение между почвенными частицами. Внешнее трение – трение почвы о поверхность рабочих органов,

где f – коэффициент трения почвы о сталь ( угол трения φ = 14…19,5° – для сыпучих почв, 25…30° – для связных).

Абразивные свойства почвы – способность истирать рабочие органы орудий.

Абразивные свойства особо выражены на песчаных почвах. Так, при обработке 1 Га песчаной почвы плуг может потерять до 150 грамм металла, а гусеница трактора полностью вырабатывает свой ресурс через 800 км пробега.

Удельное сопротивление почвы является показателем трудности ее обработки и характеризуется коэффициентом К0.

Удельное сопротивление почвы К0 для супесей составляет 50-64 кН/м2; для среднесуглинистых, среднезадернелых почв 65-80 кН/м2; для суглинков, сильнозадернелых почв 80-90 кН/м2.

7

Графики зависимости P=f(h) (твердограммы) выполняются при помощи твердомера Ю.Ю. Ревякина. Отличие твердограммы, полученной с помощью твердомера Ю.Ю. Ревякина, от диаграммы, представленной на рис. 1.1 в том, что ордината у, полученная твердомером, непосредственно не показывает усилие, а связана с жесткостью пружины твердомера.

Для того чтобы получить связь величины отклонения карандаша, пишущего твердограмму, с усилием, требуемым для погружения пуансона, твердомер необходимо тарировать. У твердомера ВГЛТА при увеличении усилия на пуансоне на каждые 10 Н ордината диаграммы прирастает на 1 см. То есть тарировочный коэффициент твердомера С = 10 Н/см.

Принцип работы твердомера Ю.Ю. Ревякина простой. У него две основные части (рис. 1.2). На одной закреплен планшет с бумагой для записи твердограммы. Эта часть упирается в почву и остается на ее поверхности. Вторая часть оснащена штоком с рукояткой, заканчивающимся пуансоном. Помимо этого она содержит пружину и систему рычагов, приводящую в движение держатель с карандашом. Эта часть скользит вдоль первой и при нажатии на рукоятку погружается в почву. При этом сжимается пружина, и изменение ее длины приводит в движение систему рычагов, отклоняющих по горизонтали держатель с карандашом.

Рис.1.2. Твердомер системы Ю.Ю. Ревякина Таким образом, при вдавливании штока в почву карандаш на

бумаге оставляет вертикальную линию, длина которой показывает глубину погружения штока, одновременно в зависимости от усилия на рукоятку карандаш смещается по горизонтали, так что это его отклонение будет характеризовать усилие, потребное для погружения штока, а значит, и твердость. По твердограмме можно получить информацию о том, как развивается твердость почвы на различной глубине.

1.3. Определение твердости и коэффициента объемного смятия почвы

Цель работы: освоить методику определения твердость и коэффициент объемного смятия почвы по глубине.

8

Лабораторное оборудование и мерительный инструмент: твердомер Ю.Ю. Ревякина; набор сменных пуансонов, лопата.

Порядок выполнения работы

Закрепить карандаш в держателе твердомера. Закрепить полоску миллиметровой бумаги на планшете твердомера. Без давления на пуансон переместить карандаш вдоль полоски бумаги, провести нулевую линию.

Погружая шток твердомера в почву грунтового канала, подобрать пуансон требуемого диаметра. Так, если почва слишком рыхлая, то шток твердомера с пуансоном малого диаметра будет погружаться с незначительным усилием и твердограмма не запишется. Напротив, если почва слишком твердая, то шток твердомера с пуансоном большого диаметра не сможет достаточно погрузиться, либо усилие выйдет за пределы измерений.

После подборки пуансона получить три твердограммы, проведя исследования в трех разных местах почвенного канала. Подписать на твердограммах диаметр пуансона и уровень глубины на котором измерялась твердость почвы (от 0 до 20 см).

Выкопать три ямки в разных местах почвенного канала на глубину 20 см. Провести исследование твердости почвы в ямках на уровне глубины от 20 до 40 см. Подписать на твердограммах диаметр пуансона и уровень глубины.

Обработать твердограммы. Для этого ограничить длину каждой твердограммы от начала измерений (точка О) величиной 20 см, поставив на графике точку В. Найти на каждой твердограмме конец этапа формирования зоны уплотнения и поставить там точку А. На участке АВ каждой твердограммы, с интервалом 1 см измерить от нулевой линии значения ординат у, записывая значения ординат непосредственно на твердограмме в миллиметрах. Найти среднюю величину ординаты уср для каждой диаграммы отдельно, сложив значения ординат и поделив результат на число измерений. Занести средние значения ординат уср в табл. 1.1.

Определить среднее усилие, потребное для погружения пуансона в

где С — тарировочный коэффициент твердомера, связывающий отклонение держателя карандаша с усилием потребным для внедрения пуансона в почву, С = 10 Н/мм.

Вычислить твердость почвы Т для каждого опыта по формуле (1.3). Вычислить коэффициент объемного смятия почвы q для каждого опыта

по формуле (1.4).

Вычислить средние величины твердости почвы Т и коэффициента объемного смятия q для разных уровней глубины.

Расчетные данные занести в таблицу.

1.4. Содержание отчета

Название лабораторной работы; цель работы; схема твердомера; диаграммы твердости (подшиваются в отчет одному студенту каждой из 2 подгрупп); формулы для вычислений с пояснениями; вычисления среднего усилия Рср; твердости почвы Т; коэффициента объемного смятия q для одной твердограммы; табл. 1.1; выводы.

Контрольные вопросы

1.Что такое твердость почвы?

2.Почему для характеристики почвы не используют такие параметры, как сопротивление на срез, сдвиг, кручение, изгиб и др.?

3.Опишите принцип работы твердомера Ю.Ю. Ревякина.

4.Опишите технологию обработки твердограммы.

5.Почему вначале заглубления пуансона усилие, потребное для заглубления, растет, а затем изменяется незначительно?

6.Каким образом величина твердости почвы учитывается при определении сопротивления почвообработке орудиями?

7.Что характеризует коэффициент объемного смятия почвы?

8.Опишите формулу для определения твердости почвы, исходя из

известных Рср – среднего усилия при погружении штампа и S – площади пуансона.

9.Опишите формулу для определения коэффициента объемного смятия

почвы, исходя из известных усилия Pa, требующегося для вдавливания наконечника на глубину ha, соответствующую пределу несущей способности почвы, и S площади пуансона.

10.Что следует предпринять, если твердость почвы столь высока, что шток твердомера в нее в достаточной степени не проникает?

Занятие № 2.

Исследование формы и параметров корпусов лемешных плугов Цель работы: изучить конструкцию лемешных плугов, типы корпусов

плугов и характер воздействия корпусов с различными геометрическими параметрами на почву.

10