Совершенствование технологического процесса культиватора

    Твердомеры  снабжают самописцами. При внедрении  в почву наконечника вычерчивается  диаграмма, характер которой показан  на рисунке 1.11.

    

    

    Рисунок 1.8 – Диаграмма твердомера.

    По  данным этой диаграммы определяют стандартную  твердость Р почвы по формуле (1.4)

    P = hq_П / S ,                                                            (1.4)

    где h – средняя ордината диаграммы твердомера, определяемая методом планиметрирования, см;

    q_П  – жесткость пружины, определяемая тарировкой, Н/см;

    S – площадь основания конуса, см².

    По  диаграмме твердомера, кроме твердости  почвы, можно определить предельное значение удельного давления или  несущую способность почвы по формуле (1.5), а также коэффициент объемного смятия по формуле (1.6)

    q₀  = P_B  / S                                                           (1.5)

    q = P_A / (Sl_A ) ,                                                 (1.6)

    где P_A и P_B – силы, отвечающие соответственно пределу пропорциональности (точка А) и пределу текучести (точка В на диаграмме), Н;

    l_A – погружение плунжера в пределах пропорциональности, см.

    Для жнивья, паров и лугов q = 5...10 Н/см³, для грунтовой дороги q = 50...90 Н/см³.

    Коэффициент внешнего трения. На трение рабочих органов машин о почву бесполезно расходуется много энергии и, кроме того, изнашиваются рабочие органы машин.

    Под трением понимается сопротивление  скольжению одной поверхности по другой. Сила трения вычисляется по формуле (1.7)

    F = f N = N tg φ ,                                                      (1.7)

    

    где N – нормальная сила, Н;

    f и φ – соответственно коэффициент и угол трения.

    Сила  трения является пассивной силой (реакцией). Поэтому она не может быть больше fN, но может быть как угодно мала, если мала сила, стремящаяся вызвать относительное перемещение двух тел. Следовательно, сила трения, определяемая выражением (1.7), предельна.

    Изменение коэффициента трения f почвы о сталь в зависимости от влажности и содержания в почве «физической глины» показано на рисунках 1.12 и 1.13

    

    Рисунок 1.9 – Зависимость коэффициента трения почвы о сталь от влажности:

    1 – песчаная; 2 – супесчаная; 3 – тяжелые суглинки и глины. 

    

    

    

    Рисунок 1.10 – Зависимость коэффициента трения почвы о сталь от содержания в  почве «физической глины»:

    1 – супесь; 2 – суглинок; 3 – суглинистый чернозем; 4 – глинистый чернозем.

    Для каждой почвы имеется свое значение влажности, при которой коэффициент  трения достигает максимума.

    Для обыкновенного чернозема W_А ≈ 30%.

    Коэффициент трения f для разных почв колеблется от 0,25 до 0,90, угол трения φ колеблется от 14° до 42°. Для ориентировочных расчетов принимают f = 0,5, что соответствует углу трения φ = 26°30'.

    Коэффициент трения для чисто шлифованной  стали ниже, чем для нешлифованной. В то же время полировка поверхности  почти не изменяет его значения.

    Наиболее  низкий коэффициент трения о почву имеют некоторые новые материалы (например, тефлон, фторопласт).

    Сопротивление почвы деформациям (прочностные  свойства) до сих пор изучено слабо. Например опытные данные прочностных  свойств для глинистого чернозема  при абсолютной влажности 20% следующие: значение временного сопротивления на растяжение σ_р = 0,5 кПа; значение сопротивления сдвигу τ = 1 кПа и сжатию σ_сж = 10 кПа.

    Сопротивление почв различным деформациям уменьшается  с увеличением их влажности (до определенного  предела) и с улучшением структуры.

    Сопротивление сдвигу и растяжению в сильной  степени зависит от наличия в почве корней растений.

    Удельное  сопротивление почв при пахоте. В  качестве показателя для классификации почв по трудности обработки принято удельное сопротивление почвы при вспашке k (кН/м²⁾, которое определяется по формуле (1.8)

    k = P / (abh) ,                                                                   (1.8)

    где Р – общее сопротивление плуга, измеренное динамометром, H;

    a – глубина пахоты, м;

    b – ширина захвата корпуса, м;

    п – число корпусов плуга.

    

    Удельное  сопротивление почвы зависит  от ее механического состава, структуры, степени уплотненности, задернелости, влажности и т.п.

    Почвы с удельным сопротивлением до 30 кН/м² считаются легкими, от 30 до 50 кН/м² – средними; от 50 до 70 кН/м² – среднетяжелыми и от 70 до 120 кН/м² – тяжелыми.

    Абразивные свойства. Под абразивными понимаются свойства почвы, способствующие соскребанию и уносу поверхностного слоя металла рабочих органов почвообрабатывающих машин движущимися почвенными частицами. Из минералов, образующих почву, наибольшую твердость имеет кварц, который составляет основу песчаных почв. Наибольшая изнашивающая способность у мелких песчинок размером от 0,01 до 0,25 мм. С увеличением влажности песчаных почв износ рабочих органов машин увеличивается, на глинистых и суглинистых почвах наблюдается обратное явление.

    Липкость  почвы. Способность частиц почвы  в сыром состоянии склеиваться  и прилипать к различным поверхностям называется липкостью. Липкость характеризуется  усилием, отнесенным к 1 см² соприкасающейся с почвой стальной поверхности, необходимым для ее отрыва.

    Липкость  почвы зависит от следующих основных факторов: влажности, дисперсности, свойств  материала рабочего органа, чистоты  его поверхности и удельного  давления. С увеличением дисперсности липкость почв увеличивается. Поэтому  глинистые почвы наиболее липкие. Зависимость липкости от удельного давления сложная: в одних случаях почва прилипает к выступам на рабочей поверхности, в других – к впадинам.

    2.3 Воздействие дисковых рабочих  органов на почву

    

    Работа  дисковых орудий зависит от диаметра дисков, расстояния между ними, угла атаки, массы орудия, приходящейся на один диск. Диаметр дисков выбирают из условий обеспечения требуемой глубины обработки и экономии металла.

    Расстояние  b между дисками должно быть таким, чтобы орудия не забивались, и получалась необходимая высота h гребней на дне борозды. При глубине обработки а это расстояние b ≥ 1,5а. Для дисковых плугов допускается h ≤ 0,4a , для лущильников h ≤ 0,5а , для борон h ≤ a.

     Силы, действующие на диск. Реакция почвы всегда нормальна к рабочей поверхности диска, а так как диск сферический, то она направлена под углом к горизонту и способствует заглублению диска. При увеличении угла атаки растет сопротивление движению диска, вследствие чего увеличивается глубина обработки почвы.

     Работа дисков. На рисунке 5.1 показана схема батареи дисков.  
 

 

     Рис. 5.1 – Основные параметры диска  и получаемых гребней. 
 

     Расстояние  между вершинами гребней S определяется по формуле (5.1) 

     S = b cos α = l_h sin α ,     (5.1)  

где  l_h – длина хорды погруженного в почву сегмента диска на глубину a;

     α – угол атаки;  

     

D – диаметр диска. Из рисунка 5.1 видно, что l_h/2 является катетом прямоугольного треугольника ОЕС. Поэтому справедливо выражение (5.2) 

     (D/2)²  = (D/2 – h)²  + (l_h /2)² .   (5.2)

     После упрощений получим уравнение (5.3) 

     h² – Dh + (l_h/2)² = 0.      (5.3) 

     Корни данного уравнения определяются по формуле (5.4):

     

     

      

                              (5.4) 

     Условиям  задачи удовлетворяет только второй корень. Учитывая также, что  l_h = b ctg α ,  получаем единственное значение высоты гребней по формуле (5.5)

     

                                                                  (5.5)

Отсюда  следует, что с увеличением угла атаки высота гребней уменьшается.

     Площадь поперечного сечения почвы, подлежащей обработке F, и  площадь поперечного сечения бороздки, образованной диском F₁  определяются соответственно по формулам (5.6) и (5.7) 

     F = a S .       (5.6) 

     F₁ = a S – f₁  .     (5.7) 

     Приравнивая площадь  f₁    к площади равнобедренного треугольника, без больших погрешностей можно считать справедливым выражение (5.8) 

       f₁  =  h S / 2 .     (5.8) 

     Отношение F₁ / F  называется степенью неравномерности глубины обработки почвы и определяется по формуле (5.9)

      

      .   (5.9)

     При высоте гребней h, равной глубине обработки а, степень неравномерности глубины равняется 0,5 и является предельной.

     

     На  заглубляемость дисковых борон, кроме  угла атаки, массы бороны и направления  линии тяги, оказывают влияние  и такие факторы, как рабочая  скорость, диаметр, толщина, заточка  и кривизна дисков.

     Снижение  скорости дисковой бороны невыгодно  с точки зрения   производительности, а ее увеличение свыше 7 км/ч ведет  к ухудшению качества обработки  почвы. Поэтому практический интерес  представляет влияние угла заточки дисков на глубину их хода.

     Параметры дисков. На рисунке 5.1 показаны геометрические характеристики диска. Диски затачивают, как правило, с выпуклой стороны. Угол заточки или заострения диска i = 10°...20° для борон и лущильников и i = 15°...25° для плугов. Более острые углы заточки приводят к ослаблению прочности лезвия и быстрому его затуплению, а более тупые – к увеличению затылочного угла ε₂ и ухудшению   заглубляемости диска в почву.

     Затылочный  угол ε₂  меняется с глубиной обработки. Для нормальной работы диска необходимо, чтобы затылочный угол на уровне поверхности поля был положительным.

     Устойчивость  несимметричных дисковых борон. Равновесия несимметричных дисковых орудий, например, садовых борон, достигают правильным выбором угла атаки передней и задней батарей и направления линии тяги (рисунок 5.2).