Эн. Тех. Почвообрабатывающие машины

14.02.2013

Изучение закономерностей сопротивления почвы смятию.

Твердомер – прибор для измерения сопротивления почвы смятию.

Твердость почвы – способность сопротивляться проникновению в нее какого-либо тела под действием внешнего усилия. Это свойство почвы характеризует сопротивление, которое преодолевают рабочие органы почвообрабатывающие машины (график 1).

Величины, характеризующие сопротивление почвы смятию: предел пропорциональности или предел прочного (активного) сопротивления почвы, Па, при вдавливании наконечника площадью S, м­­_­² (формула 1); коэффициент объемного смятия почвы (формула 2).

Обработка диаграмм твердости почвы:

y1, мм	Лямбда, мм	к, Н/мм	Fпр, Н	S, мм2	р, МПа	q, МПа
40.0	20	5.00	200	100	2	0.1
38.0	18		190		1.9	0.11
43.0	22		215		2.15	0.097

Среднее значение: 2.01 0.1

28.02.2013

Изучение фрикционных свойств почвы.

Процесс трения скольжения.

Коэффициент трения в основном зависит от свойств трущихся поверхностей и является показателем пропорциональности между максимальным значением силы трения и силой нормального давления, т.е. формула 1. Инструмент измерения – линейка Желиговского, схема 1.

Журнал проведения опыта.

h, мм	Коэффициент трения, f = h/100	Угол трения, ϕ = arctg(f)
48	0.48	26
54	0.54	28
51	0.51	27

Средние значения: f = 0.51, ϕ = 27˚.

Задача 1.

Произведя двукратные замеры угла трения почвы по стали двумя приборами различной конструкции получили следующие значения:

ϕ = 25 и 27 при замере первым прибором.

ϕ = 23 и 30 – вторым.

Какой из приборов обладает большей точностью?

Второй прибор точнее.

Задача 2.

Угол трения почвы по рабочей поверхности прямого другранного, плоского клина ϕ = 28. Определить, под каким углом α в продольно-вертикальной плоскости должна быть установлена рабочая поверхность клина, чтобы обеспечивалось скольжение почвы по ней. Схема 2. Условие скольжения: ε > ϕ или α < 62˚.

01.03.2013

Лекция 3.

Взаимодействие клина с почвой. Лемешно-отвальные корпуса.

Академик В.П. Горячкин о клине, как прототипе рабочих органов почвообрабатывающих машин:

«Всякий технологический процесс механической обработки представляет собой процесс взаимодействие рабочего органа с обрабатываемым материалом. Характер этого процесса зависит от геометрической формы рабочего органа и свойств обрабатываемого материала».

Разновидности элементарных клиньев, их технологические свойства, основные параметры. (схема 1).

Влияние технологических свойств почвы на характер ее деформации клином (схема 2, а – легкая песчаная почва, б – пластичная почвы, в – сухая тяжелая почвы, г – влажная почва покрытая дерном, д – пласт из двух разнородных слоев почвы).

Легкие песчаные почвы распадаются на элементарные частицы и сгруживаются перед клином вследствие того, что силы трения почвы о клин оказываются больше, чем силы сцепления между отдельными частицами.

Пластичная почва деформируется с двумя периодически повторяющимися фазами: уплотнение (смятие) почвы до определенного предела; скатывание уплотненной почвы в куски трапецеидальной формы.

Сухая тяжелая почвы (с большим содержанием глинистых частиц) раскалывается на куски неправильной формы, дно борозды оказывается неровным.

Задерненная почва, обладающая свойством упругости, отрезается пластом в виде сплошной бесконечной ленты.

Влияние технологических свойств почвы на характер ее деформации клином.

Пластичная почва под действием клина подвергается смятию. Деформация смятия почвы клином пропорциональна высоте расположения точки контакта над дном борозды.

Влияние технологических свойств почвы на характер ее деформации клином.

Разрушение клином пластичной почвы на трапецеидальные куски происходит за счет касательных напряжений сдвига. Разрушение клином хрупкой почвы на куски неправильной формы происходит за счет нормальных напряжений изгиба при образовании опережающей трещины. Характер изменения сопротивления почвы при воздействии клина (схема 3). Фазы деформации пласта: 1 – уплотнение и изгиб; 2 – разрушение (сдвигом или изломом); P – сопротивление почвы, Н; t – время воздействия, с. Схема 4 – влияние угла установки рабочей грани клина.

Резание почвы клином и лезвием.

Толщина лезвия (формула 1) зависит от его радиуса r и фрикционных свойств почвы. Для снижения энергоемкости процесса резания лезвием необходим угол заточки l = 45-50, что примерно соответствует удвоенному значению угла внутреннего трения почвы.

Развитие рабочей поверхности плоского клина в криволинейную рабочую поверхность (схема 5), построение цилиндрической рабочей поверхности их трехгранного клина. Развитие рабочей поверхности плоского клина в криволинейную рабочую поверхность (схема 6), геликоид.

Критическая скорость для рабочих поверхностей винтового типа. Условия нормальной работы винтового корпуса: отсутствие заброса пласта в сторону, отсутствие отрыва пласта от дна борозды (формула 2, схема 6). Винтовые корпуса лучше оборачивают почвы, культурные и полувинтовые корпуса лучше рыхлят почву.

Виды деформации почвы на цилиндроидальных и винтовых поверхностях.

Рабочая поверхность
Цилиндроидальная	Винтовая
Пласт поднимается плужным корпусом, разрушается на куски, которые отбрасываются в сторону.	Пласт отделяется сплошной лентой, и, не разрываясь на куски, оборачивается дерниной вниз. Корпус не поднимает пласт на себя, а переваливает его по дну борозды.
Пласт сначала подвергается сжатию (пока не отделен от дна борозды), а затем изгибу (после отделения от дна борозды).	Пласт передним концом связан с массивом почвы подобно консольно закрепленной балке прямоугольного сечения, подвергающейся деформации кручения и косого изгиба (изгиб в двух плоскостях).
Используют на несвязных старопахотных почвах, обработка которых сводится к рыхлению и перемешиванию.	Используют на задерненных связных почвах для наилучшей заделки растительных остатков.

Определение вида рабочей поверхности плужного корпуса. Цилиндрическая ΔΥ = 0, культурная ΔΥ = 2-7, полувинтовая ΔΥ = 7-15.

11.03.2013

Задача 1.

Имеем 2 плужных корпуса с цилиндроидальными рабочими плоскостями. Основные параметры первого плужного корпуса: Y₀=42⁰, Y_max=48⁰. Второго: Y₀=38⁰, Y_max=50⁰. Первая культурная, второй полувинтовой.

Задача 2.

Определить коэффициент скольжения при подрезании почвенного пласта лезвием лемеха культурного и полувинтового корпусов плуга если угол трения почвы о лемех 26⁰.

Задача 3.

Определить толщину лезвия лемеха, если радиус его кривизны 1.2 мм.

14.03.2013

Лабораторная работа «Изучение технологических свойств рабочих поверхностей плужных корпусов».

Профилограф В.П. Горячкина.

Крошащая способность определяется построением продольно-вертикальных сечений. Оборачивающая способность определяется построением поперечно вертикальных сечений. Сдвигающая способность характеризуется горизонтальными сечениями.

Устройство для определения углов Υ плужной рабочей поверхности схема 1.

Задача

Ширина захвата корпуса b = 35 см. Определить глубину пахоты а, при которой пласт будет повернут на угол β = 140⁰. По формуле 1.

Задача 4. Плужной корпус с винтовой рабочей поверхностью имеет следующие основные параметры: длина рабочей поверхности L = 0.92 м, ширина захвата b = 35 см, глубина пахоты а = 20 см, угол закручивания пласта β = 150⁰. Определить критическую рабочую скорость ν_кр, снабженного такими корпусами, без учета связанности пласта.

Задача 5. h₁l₁ = h₂l₂, однако h₁>h₂, а l₂>l₁. Какая полевая доска предназначены для обработки торфяно-болотных почв, а какая – старопахотных? Первая доска предназначена для старопахотных почв, вторая – для торфяников.

22.03.2013

Машины для почвозащитной обработки почвы.

Эрозия почвы – это процесс разрушения и сноса верхних плодородных слоев почвы под воздействием ветра, потоков воды и механического воздействия сельскохозяйственной техники. Главная причина эрозии почвы – интенсивная обработка, использование тяжелых машинно-тракторных агрегатов.

1. Ветровая эрозия (дефляция) возникает при: воздействии сильного ветра на поверхностные частицы почвы легкого механического состава, большом количестве эрозионно-опасных частиц размерами менее 1 мм, отсутствии растительности на поверхности поля.

2. Водная эрозия возникает: на склонах полей, при повышении скорости поверхностного стока талых и дождевых вод, при наличии плужной подошвы.

При интенсивном воздействии на почву уплотненной становится 40-80% поверхности поля.

Ветровая эрозия возникает при воздействии воздушных потоков на поверхностные частицы почвы размером размеров менее 1 мм. Частицы почвы диаметром более 1 мм принято считать почвозащитными, а менее 1 мм – эрозионно-опасными. Показатели стойкости почв к дефляции: порог устойчивости к эрозии – отношение почвозащитных частиц к эрозионно-опасным частицам 1:1 по массе мухой почвы в слое 0-5 см; критическая скорость ветра – скорость ветра на высоте 0.15 м от поверхности пашни, приводящая к сдуванию частиц (составляет 3.5-5 м/с). Требования к рабочим органам для предотвращения эрозии почв: рабочие органы не должны создавать эрозионно-опасных частиц размером менее 1 мм, рабочие органы для почвозащитной обработки должны максимально сохранять стерню и другие растительные остатки. При содержании 50% эрозионно-опасных частиц в верхнем плодородном слое должно быть 300 стернинок на 1 м² (примерно соответствует урожайности пшеницы в 40-50 ц/га).

Борьба с эрозией – сберегающие системы земледелия. Минимальная обработка почвы: достигается благодаря исключению или совмещению за один проход нескольких операций, замене обработки почвы применением средств химической защиты растений; является почвозащитной, в то же время она предусматривает уменьшение числа операций и глубины обработки почвы и, следовательно, является энергосберегающей. Нулевая обработка почвы: исключение отвальной вспашки, боронования и культивации; посев производится по стерне предыдущей культуры.

Плуг чизельный глубокорызлитель-щелеватель предназначен для обработки почвы по отвальным и безотвальным фонам, углубления пахотного слоя без оборота пласта, а также для разуплотнения лугов, пастбищ, паров, глубокого рыхления на склонах полей. Чизельные культиваторы предназначены для основной безхотвальной обработки почвы на глубину до 30-35 см с мульчированием стерни. Щелеватели-кротователи предназначены для отвода избыточной влаги и ликвидации очаговых подтоплений, улучшения водно-воздушного режима почвы. Кротование – проделка продольных отверстий в почве (кротовин) на глубине 20-60 см.

Деформации почвы чизельным рабочим органом. В основе процесса лежит резание клином, разрушение почвенного пласта путем сдвига (скалывания). Деформации почвы распространяются вперед и в стороны. В поперечно-вертикальной плоскости, существует предельная глубина обработки h_k, называемая критической. Дальнейшее заглубление рабочего органа сопровождается смятием почвы в продольном направлении без увеличения зоны рыхления в поперечном направлении (максимальной ширины Δb_k бокового скалывания почвы). Схема 1.

Воздействие на почву чизельной лапы: формула 1. Ширина деформированной поломы почвы в поперечно-вертикальном сечении: формула 2.

Три вида работы лап чизельных орудий: блокированное резание, полусвободное резание, свободное резание (формулы 3). Обычно применяется комбинированная схема расстановки рабочих органов. Два условия расстановки чизельных рабочих оргвнов на раме орудия: формула 4 и 5.

Энергоемкость глубокого рыхления. Тяговое сопротивление при рыхлении почвы на клубину меньше критической: формула 6.

28.03.2013

Исследование тягового сопротивления рабочего органа почвообрабатывающей машины.

Оценки статистических характеристик случайного процесса тягового сопротивления. Среднее значение (формула 1), среднеквадратическое отклонение (формула 2), коэффициент вариации (формула 3). Коэффициент сопротивления (формула 4), коэффициент удельного сопротивления почвы (формула 5), коэффициент скоростного сопротивления зависит от свойств почвы и геометрии рабочих поверхностей плужных корпусов (формула 6). Величина k_п измеряется тензометрическим корпусов и зависит от типа и технологических свойств почвы, агротехнического фона.

29.03.2013

Рабочие органы для дополнительной обработки почвы.

Поверхностная и мелкая обработка почвы.

Основные задачи: выравнивание поверхности почвы, рыхление и перемешивание поверхностного слоя почвы, уничтожение сорняков. Цель: создать наиболее благоприятные условия для посева и заделки семян на одинаковую глубину, дружного появления всходов.

Машины для поверхностной и мелкой обработки почвы (до 10 см). Бороны – для рыхления верхнего слоя почвы 3-8 см, выравнивания поверхности поля, разрушения почвенной корки, крошения комков, уничтожения сорняков, заделки семян и удобрений. Лущильники – для обработки почвы на небольшую глубину 4-10 см перед вспашкой, рыхление почвы, заделки пожнивных остатков, вредителей и возбудителей болезней растений, провокации семян сорняков к прорастанию.

Бороны с рабочими органами поступательного движения: зубовая легкая, зубовая средняя и тяжелая, сетчатая и пружинная, ножевидная. Зубовые бороны (по двалению на зуб, Н): легкие 5-10, средние 10-20, тяжелые 20-30. Легкие бороны для заделки семян и удобрений, разрушения поверхностной корки, выравнивания поверхности поля. Средние бороны предназначены для разбивания комьев, боронования всходов (после посева зерновых культур). Тяжелые бороны применяются для дробления пластов после вспашки, обработки лугов и пастбищ (поверхностное улучшение). Зубья размещают на пересечениях разверток винтовых линий (многоходового винта) с образующими цилиндра (поперечными планками бороны) или в точках пересечения разверток винтовых линий прямого и обратного направления. Угол установки зубьев борон: комки почвы рыхлятся без выноса на поверхность или уплотнения почвы (α = π/2), комки почвы вдавливаются вниз (α > π/2 + ξ), комки перемещаются вверх на поверхность почвы (α < π/2 – ξ) (схема 1).

Типы лап культиваторов: стрельчатая универсальная, долотообразная рыхлительная, оборотная рыхлительная, односторонняя плоскорежущая (бритва), копьевидная рыхлительная, окучивающая. Стойки культиватора: жесткая стойка со стрельчатой лапой парового и пропашного культиватора, пружинные стойки с рыхлительными лапами.

Воздействие продольной лапы на корни сорняков. Условие скольжения частиц почвы и корней сорняков по лезвию лапы: формула 1. Угол скольжения полольной лапы: формула 2. Окончательно имеем формула 3 (все по схеме 1).

Силовые характеристики культиваторных лап.

Координаты точки приложения равнодействующей сил сопротивления почвы: h = 0.3…0.5a, l = 0.5b. Угол приложения равнодействующей сил сопротивления почвы: Ψ = π/2 – (α + ϕ). Все по схеме 2. а – глубина обработки, b – ширина захвата.

Энергоемкость поверхностной обработки почвы. Тяговое сопротивление: формула 4.

Орудия	Удельное сопротивление, К, кН/м
Средние зубовые бороны	0.4-0.7
Тяжелые зубовые бороны	0.6-0.9
Сетчатые зубовые бороны	0.45-0.55
Пружинные бороны	1.5-4.0
Луговые с ножевидными зубьями	1.5-2.3
Паровые культиваторы	1.2-2.4

Установка рабочих органов а паровые культиваторах. Расстояние между рядами лап составляет 350-550 мм. Перекрытие лап 50-70 мм, ширина захвата лап (ширина задней лапы больше, чем ширина передней). Установка рабочих органов на пропашных культиваторах: ширина захвата лап (формула 5). Способы крепления рабочих органов на раме культиватора: одношарнирное и четырехзвенное.

05.04.2013

Рабочие органы почвообрабатывающих машин вращательного движения.

Классификация машин с дисковыми рабочими органами: дисковые плуги; бороны, дискаторы; лущильники. Задачи лущения стерни машинами с дисковыми рабочими органами: заделать и измельчить пожнивные остатки; подрезать сорную растительность, спровоцировать к прорастанию семена сорняков для последующего уничтожения вспашкой; разрыхлить поверхностный слой почвы для уменьшения испарения влаги и лучшего поглощения атмосферных осадков (на 10 см); повысить качество крошения пласта и снизить (до 35%) тяговое сопротивление при последующей вспашке. После лущения гибнет большое количество возбудителей болезней и вредителей.

Дисковые плуги. Дисковые плуги предназначены для пахоты на глубину 25-30 см твердых почв, склонных к глыбообразованию. Выпускают прицепными (3-7 корпусов) и навесными (1-4 корпуса). Рабочие органы – сферические диски диаметром 600-800 мм, установленные под углом 20^о к направлению движения.

Классификация дисковых борон: тяжелые, полевые и садовые. Тяжелые бороны – для разделки пластов после вспашки связных почв, болотных и кустарниковых земель, для улучшения лугов и пастбищ. Полевые или легкие бороны – для разделки пластов после вспашки, для предпосевной обработки зяби и лущения стерни. Садовые бороны – для обработки почвы и уничтожения сорняков, в междурядьях и приствольных полосах садов, виноградников, ягодников.

Дискаторы: БДМ 6х4П, БДМ СТФ, БДМ 4х4, БДМ 3х2.

Параметры рабочих органов дисковых орудий. Рабочий орган легкой исковой бороны – сферический диск диаметром 450-510 мм. Тяжелые дисковые бороны имеют вырезные диски диаметром 680 мм, которые хорошо заглубляются в почву и интенсивно измельчают растительные остатки. Параметры сферического диска (схема 1). Углы сферического диска (схема 2).

Определение высоты гребней над дном борозды. Высота гребней h зависит от диаметра диска D, расстояния b между дисками и угла атаки θ (формула 1). Качество обработки дисковыми орудиями считается удовлетворительным, если соблюдается соотношения между высотой гребней h на дне обработанного слоя почвы и максимальной глубиной обработки a: для лущильников, дисковых борон, дискаторов h<0.5а; для плугов h<0.4a.

Равновесие дисковых бороны и лущильника. На сферический диск действуют элементарные силы сопротивления почвы, возникающие на лезвии, фасках и рабочей поверхности. Эти силы могут быть приведены к двум непересекающимся, но перекрещивающимся силам в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Равнодействующая двух секций проходит через точку прицепа, поэтому борона (лущильник) находится в равновесии в горизонтальной плоскости.

Классификация почвообрабатывающих машин с активными рабочими органами. Ротационные копатели с простым вращательным движением рабочих органов, со сложным колебательным движением. Фрезы. Фрезерные культиваторы для сплошной обработки почвы, для междурядной обработки (пропашные). Схемы почвообрабатывающих фрез: с горизонтальной осью вращения барабана, с вертикальной осью вращения ротора. Траектории движения ножей фрез: эпициклоида, гипоциклоида (формулы 2а и 2б соответственно). Уравнение движения ножа фрезы – формула 3. Показатель кинематического режима – формула 4. Подача на нож фрезы – формула 5.

Толщина стружки, отрезаемой ножом фрезы. Толщина стружки – расстояние между смежными траекториями ножей, измеренное в радиальном направлении от центра фрезерного барабана – формула 6. Показатели качества работы фрез – формула 7.

Типы почв	Подача на нож, S, см	Показатель кинематического режима λ, при числе ножей 3-8
Задерненные связные	3-6	4-16
Старопахотные рыхлые	10-15	2-6

12.04.2013

Уплотняющие и опорные органы сельскохозяйственных машин. Сопротивление качению катков и колес.

Виды и основные параметры катков. Катки применяются как самостоятельные орудия при обработке почвы до и после посева, а также в виде отдельных рабочих органов в комбинированных машинах. Виды: гладкий цилиндрический, кольчато-зубчатый, кольчато-шпоровый, планчатый, борончатый, прикатывающий, пневматический. Последние четыре вида используются, как правило, в составе сеялок, сажалок и т.д. Глубина уплотнения 7-10 см, негладкие катки еще и рыхлят верхний слой 2-3 см (формула 1).

Каток кольчато-зубчатый ККЗ-6 (6 метров ширина захвата). Предназначен для дробления комков, разрушения почвенной корки, прикатывания почвы, выравнивания поверхности поля, уплотнения на глубину до 10 см и рыхления на глубину до 4 см поверхностного слоя почвы. Колеса: ведущие, ведомые и приводные (второе и третье – практически одно и то же). К ведущим колесам приложен движущий (крутящий) момент от двигателя через трансмиссию. Ведомые колеса свободно насажены на оси, если они связаны с рулевым колесом, их называют управляемыми. Находят применение ведущие управляемые колеса. Приводные колеса сами приводят в движение высевающие и высаживающие аппараты, лункообразователи, грабельные механизмы, автоматы подъема рабочих органов плугов, культиваторов и других машин. Колеса бывают с металлическим ободом и с пневматическими шинами. Последние находят распространение, особенно в самоходных и тяжелых прицепных машинах. Они меньше металлических уплотняют почву и повреждают дороги, больше смягчают толчки и удары, допускают повышенные скорости движения и увеличивают долговечность машины, снижают затраты энергии на перекатывание.

Колеса. Параметры для пневматических шин для сельскохозяйственной техники должны соответствовать требованиям ГОСТ 26955-86, предусматривающему максимальное давление 0.08-0.10 МПа на глубине почвы 0.5 м. В летне-весенний период работы давление меньше, чем в летне-осенний период. Пневматические шины (низкого давление 0.08-0.25 МПа) обозначают размерами B-d в дюймах (1 дюйм – 25.4 мм), где В – номинальная ширина профиля шины, d – посадочный диаметр обода. Шины высокого давления (р > 0.25 МПа) обозначают DxB, где D – наружный диаметр, а В – ширина профиля шины. Давление в ведущих шинах самоходных комбайнов предусматривается в пределах 0.15-0.17 МПа, а в управляемых – 0.13-0.16 МПа.

Взаимодействие ведомого и приводного колеса с почвой. Катки и колеса движутся по поверхности почвы с образованием колеи. При качении точки обода поворачиваются относительно мгновенного центра скоростей С. Абсолютная скорость точки А равна v_А = ωр и направлена перпендикулярно радиусу-вектору р. Результирующая R_i нормальных N_i и касательных сил F_i отклонения от нормали в сторону, обратную направлению вращения колеса на угол трения скольжения ϕ (схема 1).

При качении на ведомые и приводные колеса (катки) действует G тяжести, движущая сила Р, результирующая R (реакция колеи), а также момент М₀ трения в опорах оси и сопротивления приводных рабочих органов. Система уравнений равновесия при качении: система 1. Принимая b примерно равным r, находим формула 2. Сила сопротивления R_x сопротивления качению уменьшается при увеличении радиуса r катков (колес). Если радиус колеса увеличить в 2 раза, то теоретически тягловое сопротивление его уменьшится в 2 раза.

Взаимодействие пневматического колеса с почвой (схема 2). Уравнения равновесия колеса: система 1. Сила сопротивления качению при b = r: формула 2.

Сопротивление качению колес и катков. Катки и ведомые колеса можно рассчитывать по силе Р условно тягового сопротивления. Выражение для обобщенной силы Р в зависимости от объемного коэффициента q смятия почвы и параметров колеса эмпирически обосновал В. Грандвуане, а теоретически вывел В.П. Горячкин: формула 3. Сила Р уменьшается с увеличением коэффициента объемного смятия почвы, ширины обода и диаметра колеса. Увеличение этих параметров снижает глубину колеи. С ростом нагрузки, дей ствующей на каток или колеса, сила Р повышается с нарастающей интенсивностью. При расчетах пользуются упрощенной зависимостью: формула 4. Коэффициент объемного смятия: свежевспаханная почва – 1-2, луг или стерня – 5-10. По формуле Грандвуане-Горячкина: формула 5.