Механико-технологическое обоснование систем машин для хлопководства в условиях Туркменистана



В статье рассмотрены результаты теоретических исследований технологического процесса мелиоративного рыхления почв, выполненных на основе разработанной в работе системы управления характеристиками рабочих органов рыхлителей и режимами их работы, позволяют сделать вывод о практической возможности создания почвенного профиля с заданными параметрами.

Ключевые слова: ресурсосбережения, энергетическая эффективность глубокого рыхления, формы и параметров стоек, плодородия орошаемых почв.

В Туркменистане разуплотнение и углубление пахотного горизонта необходимо проводить на 1,3–1,5 млн. га сельхозугодий, а годовая потребность в орудиях для рыхления почвы составляет 7–8 тыс. шт. Лабораторными и полевыми испытаниями установлено, что агротехническая и энергетическая эффективность глубокого рыхления зависит от формы и параметров стоек, долот, кротователей и схемы расстановки рабочих органов на раме орудия [1].

Из исследований М. И. Чеботарева [8], известно также [4, 6, 7], что производительность безотвальной обработки почвы плугом ПЧН выше в 2,2–2,7 раза, чес лемешной отвальной обработки, и составляет 0,84 га/ч, а расход топлива ниже на 76–82 %. При этом рабочие органы плуга имеют вид пластинчатых стоек с плоскорежущими треугольными лапами, у которых ширина захвата лапы задний угол , угол заточки (заточка верхняя), угол подъема и угол раствора лапы При работе отделенный лапой от подошвы пахотный пласт вначале перемещается по лапе, затем пласт попадая на размещённые под углом ворошителя, подвергается интенсивному крошению.

Согласно данным А. Н. Зеленина [4] известно, что при обработке почвы чизельными плугами с прямыми стойками и долотами с шириной см при угле подъёма , критическая глубина резания Плоскость скалывания имеет форму трапеции. Ширина полосы деформации на поверхности почвы при глубине обработки , угле подъёма угле трения и угле скалывания определяется по формуле:

(1)

Расстояние между стойками устанавливается в зависимости от высоты гребней определяемых агротребованиями. Для снижения опасности забивания стоек почвой и растительными останками их располагают в несколько рядов. В этом случае расстояния между стойками увеличиваются в два раза, а тяговое сопротивление почвы второму ряду рабочих органов на 17–20 % меньше, чем первому за счет блокированного резания (резания без отделения стружки). Для определения общего тягового усилия рыхлителя с рабочими органами имеющих стрельчатой лапы на стойке применим формулу Г. Н. Синеокова [6]:

(2)

где: -ширина захвата рыхлителя, м; –удельное тяговое сопротивление, Н/м; -продольная составляющая силы тяги лапы, Н; -ширина лапы, м; — коэффициент перекатывания колес рыхлителя (по стерне

0,15–0,3); — вертикальная нагрузка на колеса рыхлителя, Н.

Так как рыхлителя 2 опорных колеса, то определяется по формуле:

(3)

где: –вес рыхлителя, Н; –масса рыхлителя, кг; –ускорение свободного падения тела,

При безотвальном рыхлении почвы рабочими органами, имеющими вид стрельчатой лапы, закрепленной на стойке схема сил сопротивления действующих на клинообразный рабочий орган имеет вид (рис. 1).Продольная слагающая –силы тяги рабочего органа, поступательно движущегося с постоянной скоростью определяется из уравнения:

(4)

где: –горизонтальная составляющая сопротивления затылочной фаски на долоте (рисунок 2).

Рис. 1. Схема сил сопротивления, действующих на клинообразный рабочий орган: общее тяговое усилие; сопротивление затылочной фаски;

сопротивление почвы деформации или отрыву пласта двугранным клином; сопротивление, создаваемое статическим давлением пласта; угол крошения ; угол трения (в расчётах , когда не указан тип почвы); угол наклона заточенной грани ко дну борозды ; направление движения

Рис. 2. Схема к определению давления почвы, на затылочную фаску

Схема к определению давления почвы, на затылочную фаску, которая определяется согласно выражению

(5)

где: –коэффициент объемного смятия почвы – деформация сжатия; –угол трения между равнодействующей нормальных давлений почвы на затылочной фаске лезвия долота и равнодействующей вертикальной и горизонтальной составляющих сил, воздействующих на фаску и стремящихся вытолкнуть долото из почвы; –угол наклона затылочной фаски ко дну борозды. При этом в частном случае при сопротивление почвы

деформации или отрыву пласта двугранным клином. При этом равнодействующая нормальных и касательных сил на поверхности клина является функцией переменных

(6)

сопротивление , создаваемое статическим давлением пласта определяется:

(7)

где: вес пласта

определяемый согласно выражению: в котором длина рабочей поверхности клина, объёмный вес почвы .

сопротивление , создаваемое инерцией пласта или его динамическим давлением:

(8)

После подстановки развернутая зависимость для определения продольной слагающей силы тяги для двугранного клина:

(9)

Однако известно [5, 7, 8], что нагрузки, воспринимаемые лапами культиватора первого ряда примерно в 2 раза больше нагрузок лап 2-го ряда за счёт блокированного резания. В связи с чем, выдвигаем гипотезу, что если применить приёмы блокированного резания при конструировании лапы, то появляется возможность снижения примерно на 20 %. Теперь рассмотрим конструкцию плоскорезной лапы шириной 60 мм с размещением в средней части долота, тогда для этой формы будет следующее , которое определится согласно формулой:

(10)

где: толщина срезаемого слоя долотом и лапой; ширина долота; коэффициент удельного сопротивления почвы долота,

25–150 коэффициент удельного сопротивления почвы лап, Поэтому формула для определения продольной слагающей силы тяги для плоскорезных стрельчатых лап (двугранного клина) имеет вид:

(11)

где: количество рабочих органов, в рассматриваемом случае вес рыхлителя,

коэффициент удельного сопротивления почвы долота, 25–150 толщина срезаемого слоя долотом, м; ширина долота, м; коэффициент удельного сопротивления почвы долота, толщина срезаемого слоя лапой, м;

ширина лапы, м; вес пласта, ; ; длина рабочей поверхности клина, объёмный вес почвы, угол крошения,

-коэффициент перекатывания колес рыхлителя по стерне 0,15–0,3; угол трения (в расчётах , когда не указан тип почвы); масса рыхлителя; Масса всего машины скорость движения,

Подставляя выражение

из формулы (11) в формулу (2), получим закономерность для определения тягового усилия , с учётом блокированного резания:

(12)

Удельное тяговое усилие рыхлителя определится как:

(13)

где: -ширина захвата рыхлителя, м.

Удельная мощность рыхлителя

(кВт) определим из выражения:

(14)

где: -скорость передвижения рыхлителя,

Удельные затраты топлива за 1 час (кг/ч) определим по формуле:

(15)

где:

-удельный расход топлива равный 238 г/кВт; -продолжительность работы равная 1 ч.

Снижения затрат энергии можно достичь также регулировкой наклона лап в момент работы, оказывая влияние на процессы образования элементной стружки и стружки отрыва (рис. 3), которые также зависят от силы Известно, что перед лезвием возможно образование опережающей трещины и стружки отрыва при соотношении

(16)

где: -угол между направлением поверхности отделения почвенной стружки и поверхностью поля; -угол трения (угол между результирующей силой резания и нормалью к передней части лезвия рабочего органа); -угол резания (рисунок 3а). В случае (рис. 3б):

(17)

на поверхности плоского отделения элементов стружки возникают нормальные напряжения, способствующие соединению элементов почвенной стружки, т. е. происходит сгруживание, а энергозатраты будут максимальные.

В случае (рис. 3в):

(18)

пласт срезается сплошной лентой. При этом энергозатраты будут минимальные. Формы лезвий щелевателей [5] и предлогаемое (к) приведена на рисунке 4. Испытаниями опытных образцов глубокорыхлителей [1, 2, 3] установлено, что рабочие органы с двухъярусным расположением долот по сравнению с серийными обеспечивают: с трактором Claas-повышение производительности на 10,9 %, увеличение полноты рыхления на 30 %; с трактором John-Deere-повышение производительности на 11,5 %, увеличение полноты рыхления на 21 %. Определено влияние усовершенствованного глубокорыхлителя кротовательного типа НАД-2–60М на изменение плотности почвы, ее водного и температурного режимов. Обработка почвы на глубину до 60 см, снижает ее плотность по всей глубине, с 1,5–1,6 до 1,1–1,2 г/см, что способствует аккумуляции влаги, повышая её содержание в горизонте 10–55 см на 50 %. При этом уменьшается сопротивление грунта, что в последующем приведёт к снижению расхода топлива. Установлено, что по эксплуатационным затратам на 1 га усовершенствованный глубокорыхлитель кротовательного типа НАД-2–60М по расходам горючее на 27 % экономичнее по сравнению с глубокорыхлителем ГРН-60.

Рис. 3. Схема образования элементной почвенной стружки и стружки отрыва

Рис. 4. Формы лезвий щелевателей [5] и предлогаемое (к)

Результаты исследований использованы при разработке новых конструкций, в котором глубокое рыхление грунта сочетается с одновременным внутрипочвенным внесением жидких органических и минеральных удобрений. Они просты в устройстве и надежны в работе. При использовании жидких удобрения из него корневая система хлопчатника быстрее развивается, глубже проникает в почву. Для этих целей в сельскохозяйственном акционерном обществе имени Героя Туркменистана Садулла Розметова этрапа имени С. А. Ниязова Дашогузского велаята сконструирован и испытан универсальный глубокорыхлитель ПР-0,5, кротовательного типа НАД-2–60 и НАД-2–60М, а также культиватор растениепитатель КР-5–40. Результаты исследования приняты к использованию в акционерном обществе имени С.Розметова Дашогузского велаята и внедрены в производство сельского хозяйства страны.

Литература:

1. Данатаров, А. Устойчивость кротовых дрен. /Гидротехника и мелиорация на Украине. УкрНИИГиМ. вып.3. -Киев, 1994. -с.52–56.
2. Данатаров, А., Сапаров, К. Б. Устройство аэрационного дренажа в аридной зоне. //Мелиорация и водное хозяйство. -М., 1994. -с.24–26.
3. Данатаров, А. Аэрационный дренаж в условиях Туркменистана. //Технические науки: проблемы и перспективы. -СПб., 2011. -с.41–42.
4. Зеленин, А.Н., Баловнев, В.И., Керов, И. П. Машины для землеройных работ. -М.: Машиностроение, 1975. -424с.
5. Салдаев, А.М., Сапунков, А. П. Теоретическое обоснование параметров рабочего органадля щелеванияпочвы. /Повышение плодородия орошаемых почв при интенсивном использовании. -Волгоград, 1989. -с.163–175.
6. Теория и расчет почвообрабатывающих машин /Г. Н. Синеокова, И. М. Панов. -М.: Машиностроение, 1977.
7. Тарасенко, Б. Ф. Конструктивно-технологическое решение для внесения и заделки органических удобрений при безотвальной обработке почвы. /Тр. /КубГАУ. 2010.
8. Чеботарев, М. И. Механико-технологическое обоснование систем машин для рисоводства: дис… д-ра техн. наук. / М. И. Чеботарев. -Зерноград, 1997.