В процессе резания почвы или корневищ сорных растений они разрушаются под воздействием давления вершины лезвия (двухгранного угла рабочей части) серпообразной односторонней лапы. При этом процесс резания лезвием лапы состоит из двух основных этапов: первое - уплотнение почвы и корневищ сорных растений, и второе - их резание (рисунок 4).
Рисунок 4 - Принципиальная схема изменения удельного давления на лезвие серпообразной односторонней лапы динамичного рабочего органа при скользящем резании: Psp -- удельное давление на лезвие серпообразной односторонней лапы; AL -- загруженная часть лезвия ножа лапы; P --начальная зона уплотнения почвы; Рг, Р2 ... P; -- зоны уплотнения почвы; ZЈd, Z2d,
Z2d ... Zfd -- зоны резания и разуплотнения
Как видно из рисунка 4 в начале процесса происходит процесс сжатия и уплотнения обрабатываемого материала. Далее происходит резание, которое характеризуется волнообразной кривой.
На рисунке 5 показана зависимость активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа с серпообразной односторонней лапой при отсутствии колебаний (при фиксированных значениях ширины захвата и угла раствора) от глубины обработки hsm почвы.
Активная площадь фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа представляет собой ту площадь его поверхности, которая непосредственно взаимодействует с почвой и зависит от его конструктивных параметров (формы, качества поверхности или обтекаемости), расположения на раме агрегата и глубины обработки почвы [12].
В большинстве своем на почвообрабатывающих машинах используются рабочие органы с фиксированными геометрическими размерами, то есть в таких рабочих органах площадь фронтальной проекции остается постоянной. Рабочие органы (с изменяемой геометрией) в определённом диапазоне позволяют во время работы на непродолжительное время снизить тяговое сопротивление, уменьшить свою площадь фронтальной проекции при увеличении плотности или твердости почвы.
Рисунок 5 - Зависимость активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от глубины обработки hsm почвы
Анализ полученной зависимости показывает, что при увеличении глубины обработки hsm почвы от 5 до 20 см активная площадь фронтальной площади Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа в увеличивается от 116,80 до 280,27 см2 (рисунок 5).
Снижение интенсивности роста активной площади фронтальной проекции Fa начинается на глубине 15 см и продолжается до 20 см и связано со стабилизацией величины плотности и твердости в данном почвенном горизонте.
Выявленная закономерность изменения активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа при отсутствии колебаний от глубины hsm обработки почвы, описывается эмпирической зависимостью:
Из-за вероятностного характера изменения глубины обработки почвы происходит нестабильность значений активной площади фронтальной площади рабочего органа.
Вероятностная математическая модель активной фронтальной площади динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, дифференцированная от меры рассеяния глубины обработки почвы, выглядит так:
где а = 26.47275 и b = -0.62298 - угловые коэффициенты; hsm -- среднее значение глубины обработки почвы, см; vhsm -- мера рассеяния (или коэффициент вариации) глубины обработки почвы.
Колебание нагрузки на серпообразную одностороннюю лапу, в том числе и удельного давления на её лезвие, приводит к изменению ширины захвата, угла резания и площади фронтальной проекции рабочего органа.
В качестве примера на рисунке 6 представлена графическая зависимость ширины захвата bw динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения l конца его упругого элемента.
Рисунок 6 - Зависимость ширины захвата bw динамичного рабочего органа от смещения l конца упругого элемента
Значения величины смещения конца упругого элемента не остаются постоянными по причине случайного характера нагрузки на рабочий орган, в том числе и на лезвие серпообразной односторонней лапы. Это в целом приводит к постоянному изменению ширины захвата рабочего органа.
При смещении конца упругого элемента от 0 до 42,5 см (рисунок 6) наблюдается уменьшение ширины захвата рабочего органа от 480 до 437,02 см.
Эмпирическая зависимость, описывающая закономерность изменения ширины захвата bw рабочего органа от смещения I конца упругого элемента, описывается следующим выражением:
Вероятностную математическую модель процесса изменения ширины захвата рабочего органа, дифференцированную от меры рассеяния величины смещения конца упругого элемента, можно представить в виде:
где а1 = 480 - постоянная величина;^ = -0.39968 и с1 = -0.01439 - угловые коэффициенты; Vi - коэффициент вариации смещения конца упругого элемента.
Как уже было установлено, из-за вероятностного характера нагрузки происходит изменение активной площади фронтальной проекции и ширины захвата почвообрабатывающего рабочего органа. При этом угол раствора у лезвия лапы также не остается постоянным и изменяется в зависимости от расстояния Lb от упругого элемента до искомой точкиРі, в пределах от 0 до 480 мм (рисунок 7).
Рисунок 7 - Схема измерения расстояния Lb (Lb.) от упругого элемента до искомой точки
Графическая зависимость угла раствора у односторонней серпообразной лапы динамичного почвообрабатывающего рабочего органа на расстоянии Lb от упругого элемента до искомой точки Pt показана на рисунке 8.
Изменение угла раствора у лапы рабочего органа на расстоянии Lb от упругого элемента до искомой точки Pt описывается следующими эмпирическими зависимостями:
при отсутствии смещения конца упругого элемента рабочего органа, l = 0 мм:
при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 20 мм:
при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 42,5 мм:
При изменении расстояния Lb от 0 до 480 мм и смещении конца упругого элемента от 0 до 42,5 мм угол раствора по всему периметру лезвия лапы почвообрабатывающего рабочего органа изменяется в широких пределах у= 14,9 -- 87,180.
Более длинная траектория резания лапы с заданным радиусом кривизны режущей кромки 500 мм рабочего органа по сравнению с существующими орудиями обеспечит скользящее рубящее резание корней (рисунок 4).
Рисунок 8 - Зависимости угла раствора у односторонней серпообразной лапы рабочего органа при смещении l на расстояние Lb от упругого элемента до искомой точки P;:
1 - при отсутствии смещения конца упругого элемента рабочего органа, l = 0 мм;
- при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 20 мм;
- при смещении конца упругого элемента рабочего органа, 1 = 42,5 мм
Графическая зависимость угла раствора у серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Lb от величины смещения l конца упругого элемента представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 - Зависимости угла раствора у серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Lb от величины смещения l конца упругого элемента:
1 - исходная точка измерения в месте крепления лапы и упругого элемента, Lb = 0;
- исходная точка измерения в центре лапы, Lb =240 мм;
- исходная точка измерения на конце лапы, Lb =480 мм
При функционировании серпообразной лапы динамичного почвообрабатывающего рабочего органа угол раствора у в отдельно взятой искомой точке не остается постоянным по причине постоянного колебания упругого элемента, что в итоге, как показали результаты экспериментальных исследований, улучшает процесс резания.
Закономерности изменения угла у раствора серпообразной лапы рабочего органа на расстояние Lb от величины смещения конца упругого элемента I описываются следующими эмпирическими зависимостями:
- исходная точка измерения в месте крепления серпообразной лапы и упругого элемента Lb = 0:
- исходная точка измерения в центре лапы (Lb=280 мм):
- исходная точка измерения в конце лапы (Lb=480 мм):
На рисунке 10 показаны зависимости активной площади фронтальной проекции Fa динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения l конца упругого элемента.
Рисунок 10 - Зависимости активной площади фронтальной проекции F_ динамичного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения l конца упругого элемента: 1 - глубина обработки почвы hсм = 10 см; 2 - глубина обработки почвы hсм = 15 см; 3 - глубина обработки почвы hсм = 20 см
В пределах изменения глубины обработки почвы = 0-20 см и смещения конца упругого элемента 1 = 0- 42,5 см, активная площадь фронтальной проекции динамичного почвообрабатывающего рабочего органа Fa = 195,136 -- 280,265 см2.
Закономерности изменения активной площади Fa фронтальной проекции адаптивного почвообрабатывающего рабочего органа от смещения I конца упругого элемента описываются следующими эмпирическими зависимостями:
- глубина обработки почвы hCM = 10 см:
Fa = -0.0058612 + 0.0775651 + 202.43. (12)
- глубина обработки почвы hCM = 15 см:
Fa = -0.00586/2 + 0.077565/ + 264.201. (13)
- глубина обработки почвы hCM = 20 см:
Fa = -0.00586/2 + 0.077565/ + 280.265. (14)
Исходя из проведенных исследований, можно заключить, что углы раствора у и резания в играют важную роль в процессе резания как самой почвы, так и корневищ сорных растений. С уменьшением углов у и в облегчается врезание серпообразной лапы в обрабатываемый материал, снижается затрачиваемое усилие на резание и уменьшаются деформация срезаемого слоя почвы и корня, а также расход потребной мощности на процесс. При чрезмерном уменьшении углов у и в, улучшается качество резания, но снижается толщина режущей кромки и понижается её прочность, что приводит к увеличению износа. При увеличении углов у и в происходит ухудшение качества резания и увеличение потребной мощности на процесс.
Применяемые в настоящее время в производстве почвообрабатывающие рабочие органы имеют постоянные углы раствора у резания в, при этом качество процесса обработки почвы достигается, как правило, возможностью выбора рациональных скоростных режимов работы и частичной регулировкой их положения в конструкции машины.
В разработанном динамичном почвообрабатывающем рабочем органе серпообразная односторонняя лапа закреплена со стойкой посредством упругого элемента, что обеспечивает её колебания в зависимости от нормального давления N (рисунок 3). Энергия нормального давления N превращается во внутренние колебания деталей рабочего органа.
Величина нормального давления N представляет собой случайную величину, которая зависит от непрерывно изменяющейся твердости, плотности, влажности, глубины обработки почвы и других факторов.
При этом происходит колебание скорости и угла раствора у, а также угла резания в серпообразной лапы, то есть происходит динамическое резание. Причём при увеличении нормального давления N происходит изменение углов раствора и резания в меньшую сторону, что в принципе улучшает качество процесса.
Результаты исследований других ученых [2, 16] и авторов настоящей работы свидетельствуют, что динамическое резание снижает вероятность появления нароста на режущей кромке почвообрабатывающего рабочего органа, который повышает его тяговое сопротивление, а в случае образования на лезвии лапы способствует его срыву.
Использование динамичных рабочих органов [5, 13, 20], в том числе с серпообразной односторонней лапой, в целом снижает динамические нагрузки, которые в основном служат причиной поломки или деформации деталей почвообрабатывающих рабочих органов.
Следует отметить, что изложенные результаты наших исследований в дальнейшем могут быть использованы для решения практических задач, возникающих при разработке принципиально новых энергоэффективных рабочих органов для обработки почвы и уничтожения сорных растений с мощной корневой системой.
Выводы
резание почва сорный
Обоснована схема сил, действующих на серпообразную одностороннюю лапу динамичного рабочего органа при резании почвы и корней растений со скольжением.
Установлена закономерность изменения удельного давления на лезвие лапы рабочего органа при скользящем резании.
Установлены закономерности изменения активной площади фронтальной проекции, ширины захвата, угла раствора почвообрабатывающего рабочего органа от нагрузки и колебаний упругого элемента.
В результате исследований установлено, что углы раствора и резания играют важную роль в процессе резания почвы и корневищ сорных растений. С их уменьшением облегчается врезание серпообразной 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, понижается 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.