Улучшение процесса резания почвы и сорной растительности в системе органического севооборота
Н.И. Джабборов
А.В. Добринов
А. Эвиев
С.В. Чугунов
Д. Фомин
Актуальность. Актуальность темы исследований связана с проблемой повышения эффективности процесса обработки почвы и уничтожения сорной растительности с мощной корневой системой в органическом севообороте. Цель исследований - изучение и моделирование процесса изменения конструктивно-технологических параметров разработанного рабочего органа в виде серпообразной односторонней лапы при резании корневищ сорных растений в системе обработки почвы. Объект. Объектом исследований являлся процесс резания почвы и корневищ сорных растений динамичным рабочим органом с серпообразной односторонней лапой, предметом исследований являются закономерности изменения его конструктивно-технологических параметров. Материалы и методы. При проведении исследований применялись расчетно-эмпирические методы моделирования конструктивно-технологических параметров орудий, основанные на изучении закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы при резании сорных растений. Результаты и выводы. Разработаны детерминированные и вероятностные математические модели для определения удельного давления на рабочий орган при резании почвы и корней растений со скольжением, его активной площади фронтальной проекции, ширины захвата и угла резания. Установлено, что при работе в различных режимах работы активная площадь фронтальной проекции, ширина захвата и угол резания динамичного рабочего органа соответственно варьируют в пределах 195,1-280,3 см2, 437,02480,0 см и 14,9-87,2°. Установлено, что с уменьшением углов раствора и резания облегчается врезание серповидной лапы в обрабатываемый материал, снижаются затрачиваемое усилие на резание и деформация срезаемого слоя почвы и корня, а также расход потребной мощности на процесс. При чрезмерном уменьшении углов резания и раствора динамичного рабочего органа улучшается качество резания, но снижается толщина режущей кромки и её прочность, что приводит к увеличению износа. Использование динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с серпообразной односторонней лапой, в целом снижает динамические нагрузки, которые в основном служат причиной поломки или деформации деталей почвообрабатывающих рабочих органов.
Ключевые слова: обработка почвы, органические севообороты, резание почвы, динамичные рабочие органы, динамическое резание, серпообразная односторонняя лапа.
Введение
Исследованиям процесса обработки почвы посвящены работы многих отечественных и зарубежных учёных. Обработка почвы различными рабочими органами в целом представляется сложным процессом. При обработке почва подвергается резанию, растягиванию, сжатию, изгибу, сдвига и обрыву.
Различные авторы в своих трудах в основном рассматривают отдельно взятый процесс обработки почвы и её взаимодействие с рабочим органом.
В процессе проведения анализа проведенных исследований ставилось задачей наглядно пояснить сущность процесса резания и различные подходы к использованию его для совершенствования теории динамического резания при обработке почвы.
В результате анализа процесса резания корней сеянцев авторами работы [7] разработаны зависимости сил, которые действуют на рабочий орган корнеподрезчиков и выкопочных машин с учётом их геометрических параметров и особенностей технологического процесса.
Авторами работы [ 18] разработан дисковый рабочий орган для обработки почвы и обоснована форма его режущей поверхности. Предложены формулы для анализа и определения величины деформации почвы, контактного напряжения на режущей кромке диска, сопротивления почвы резанию и другие параметры процесса резания почвы.
Более подробно изучено взаимодействие элементов рабочих органов с почвой в работе [8], где предложены математические модели для определения силы тяги трактора для преодоления горизонтальной составляющей и вертикальной составляющих сил трения почвы, а также затрат энергии на механическое перемещение ножа для разработки одного кубического метра грунта.
Заслуживают внимания результаты исследований деформирования почвы рабочими органами машин и орудиями технологических комплексов, изложенные в статье [6]. В данной работе автор приходит к заключению, что почва в зависимости от того, в какие деформационные условия она будет поставлена, может разрушаться как путём отрыва, так и путём сдвига и поэтому может обладать, как тем, так и другим видом сопротивления деформированию и разрушению.
Исследования [16] показали, что в условиях свободного резания разрушение почвы под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин происходит путём сдвига по вертикальным и горизонтальным плоскостям, направленным в стороны боковых разрыхленных зон, то есть под углом к направлению движения.
Необходимо отметить, что использование математического аппарата разрушения упругих тел в классическом виде при проектировании почвообрабатывающих рабочих органов оказывается малоэффективным [2]. В данной статье рассмотрен один из возможных подходов к исследованию процесса разрушения почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин. Автором предложена математическая модель силы сопротивления клина в функции от силы разрушения и силы трения движения почвы по клину в момент разрушения пласта.
Исследованиями [1] установлено, что при обработке почвы на степень её деформации и рыхления оказывают большое влияние конструктивные параметры рабочих органов. Общая степень деформации при этом состоит из деформации разрыва, сжатия, поворота и сдвига почвы.
Автором работ [9, 10] подробно рассмотрено взаимодействие поверхности и кромки консольного ножа с грунтом. Разработана методика расчёта силовых характеристик, структура, и определена совокупная энергия на процессы взаимодействия кромки и поверхности консольного ножа с грунтом.
Содержательное описание режимов резания и силовые воздействия на культива- торную лапу изложены в работе [11]. В данной работе даны схемы и силовые характеристики рубящего резания, резания с продольным перемещением и резания почвы со скольжением.
В последние годы во всем мире возросло внимание общества к повышению экологической безопасности технологий и технических средств возделывания сельскохозяйственных культур, в целом биологизации земледелия. При этом с целью исключения применения химических средств защиты растений вопросы механической борьбы с сорными растениями становятся актуальными. В качестве примера можно привести результаты исследований, которые отражают эффективность культиватора со щеточными барабанами [12], предпосевной и многократной обработками почвы [14, 15] в борьбе с сорным растениями механическим способом. Анализ результатов сравнительных испытаний химического и механического способов борьбы с сорными растениями [17, 19] в целом позволяет заключить о необходимости дифференцированного их применения в зависимости от почвенно-рельефных и климатических условий возделывания сельскохозяйственных культур.
Начиная с 2015 года авторами настоящей статьи разработаны научные основы проектирования принципиально новых динамичных почвообрабатывающих рабочих органов с изменяемыми в заданных пределах параметрах: площади фронтальной проекции, углах резания и крошения почвы, практическая реализация которых в реальных условиях работы должна обеспечить повышение эффективности поверхностной обработки почвы снижением тягового сопротивления на 10-20 % и уменьшением расхода топлива на единицу обрабатываемой площади на 8-10 % по сравнению с типовыми почвообрабатывающими рабочими органами.
Техническая новизна созданных динамичных почвообрабатывающих рабочих органов подтверждена рядом патентов РФ (№ 169104, № 182130, № 2702551, №2755317, №2769225), а результаты экспериментальных исследований изложены в ряде работ [3-5, 13, 20].
Так, в работе [4] были обоснованы конструктивные параметры рабочего органа для поверхностной и мелкой обработок почвы и уничтожения сорных растений, имеющих мощную корневую систему в органическом севообороте. Особенность конструкции его заключается в применении одностороннего крыла (лапы) серпообразной формы, прикрепленного к стойке посредством упругого элемента, наличие которого обеспечивает появление автоколебаний для предотвращения налипания на крыло почвы и корней растений, а также улучшения процесса подрезания и рыхления.
Полученные в процессе исследований [5] закономерности изменения агротехнических и эксплуатационных показателей экспериментальных рабочих органов серпообразной формы обеспечили требуемое качество подрезания сорной растительности и допустимое тяговое сопротивление.
Рассмотренный анализ литературных источников по теории резания почвы и других материалов иллюстрирует общую теорию резания почвы и дает представление о наиболее значимых принципах моделирования процесса обработки почвы, в частности, отражает использование различных методов определения сил сопротивления резанию почв, исходя из определенной совокупности наиболее значимых искомых факторов, то есть многочисленных характеристик процесса.
Практика показывает, что все факторы, влияющие на показатели процесса резания, являются случайными, в итоге математические модели процесса резания почвы должны быть вероятностными.
Таким образом, рассматриваемый процесс резания корневищ сорных растений при обработке почвы можно представить как совокупность процессов сдвига, изгиба, обрыва, сжатия и растягивания почвы рабочими органами различной конфигурации.
Исходя из этого, целью исследований является изучение и моделирование процесса изменения конструктивно-технологических параметров рабочего органа с серпообразной односторонней лапой при резании корневищ сорных растений в зависимости от ее колебаний в процессе обработки почвы.
Материалы и методы. Объектом исследований являлся процесс резания почвы и корневищ сорных растений динамичным рабочим органом с серпообразной односторонней лапой (рисунок 1), предметом исследований являются закономерности изменения его конструктивно-технологических параметров.
Рисунок 1 - Общий вид динамичного рабочего органа с серпообразной односторонней лапой
Основные конструктивные параметры рабочего органа для уничтожения сорных растений следующие: глубина обработки почвы - 5-15 см; ширина захвата рабочего органа - 540 мм; ширина захвата крыла - 480 мм; высота стойки - 880 мм; угол раствора в начале крыла - 30 град.; угол крошения долота - 30 град.; радиус кривизны режущей кромки крыла - 500 мм.
При проведении исследований применялись расчетно-эмпирические методы моделирования конструктивно-технологических параметров орудий, основанные на изучении закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы при резании сорных растений.
Результаты и обсуждение
Исходя из приведенного анализа научных статей [1-20] эффективность процесса резания почвы и её рыхление разработанным динамичным рабочим органом зависят от многочисленных факторов, в первую очередь, от таких как:
геометрические параметры (угол заточки, шероховатость, угол резания, ширина захвата, толщина и т.д.);
скорость перемещения в процессе работы;
удельное давление на рабочий орган и на его режущую кромку;
свойство материала, из которого изготовлен рабочий орган;
скольжение почвы и корневищ сорных растений по рабочему органу;
защемление корневищ сорных растений.
На рисунке 2 представлена схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного почвообрабатывающего рабочего органа.
Рисунок 2 - Схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного почвообрабатывающего рабочего органа:
N -- нормальное давление почвы на фаску серпообразной лапы; Ff -- сила трения почвы о стали; R -- реакция почвы на затупленную площадку лезвия лапы; Rj_ и R2 - горизонтальная и вертикальная составляющие реакции R почвы; в -- угол резания
От правильного выбора угла резания в зависят сила резания, действующая на одностороннюю серпообразную лапу, потребная мощность и качество резания.
На рисунке 3 рассмотрены силы, действующие лапу рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением.
Рисунок 3 - Силы, действующие на серпообразную одностороннюю лапу рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением:
1 - долото со стойкой рабочего органа; 2 - упругий элемент; N -- нормальное давление (сила, действующая на почвенный компонент); F -- сила трения на фаске ножа серпообразной односторонней лапы; R -- сила резания; NT -- касательная сила к лезвию серпообразной лапы; Nv -- сила, воздействующая на лезвие лапы по направлению скорости перемещения;
Y -- угол раствора; m -- почвенный компонент
Удельное давление на лезвие серпообразной односторонней лапы рабочего органа при скользящем резании можно определить по формуле:
где N - нормальное давление, Н; ЛЬ -- загруженная часть лезвия ножа серпообразной односторонней лапы (зона действия нормального давления, то есть силы, действующей на почвенный компонент), мм.