Modeling of the Tillage Process by the Method of Stress Concentration in the Tilled Layer

全文:

Введение

В последнее время в сельскохозяйственном производстве резко возрос интерес к поиску и разработке новых методов и способов, обеспечивающих снижение энергоемкости и повышение качества технологических процессов обработки почвы.

На агротехнические показатели и тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин значительное влияние оказывают физико-механические свойства почвы (удельное сопротивление, влажность и твердость почвы, коэффициент трения почвы о сталь, абразивные свойства почвы), изменяющиеся в зависимости от погодных условий, севооборота культур, внесения в почву минеральных и органических удобрений и т. д. Эти вопросы достаточно широко изучены в работах многих авторов¹.

Значительное количество результатов теоретических и экспериментальных исследований ученых посвящено раскрытию новых закономерностей процессов обработки почвы различными рабочими органами и машинами [1‒4]. При внедрении почвообрабатывающей техники в производство разрабатываются методы оценки эффективности функционирования в различных зонах с учетом ее работоспособности и надежности в процессе эксплуатации [5‒7].

При этом обоснование конструктивных параметров новых способов обработки почвы и типов рабочих органов, принципиально отличающихся от традиционных приемов, применяемых на практике, невозможно без раскрытия теоретических основ их взаимодействия с почвой с учетом ее изменяющихся свойств. Для этого необходима разработка модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой, обеспечивающая возможность определения и анализа агротехнических и энергетических показателей процесса обработки почвы и обоснования их конструктивно-технологических параметров.

Так, на основе применения теории деформации грунтов обрабатываемого материала авторами статьи был разработан оригинальный рабочий орган скобообразной формы, создающий во время движения сжатие внутренних капилляров почвенного пласта. При выходе из конусообразной скобы вследствие отсутствия сжимающей силы пласт почвы под действием давления сжатых внутрипочвенных газов разрушается (крошится), образуя при этом мелкокомковатую структуру [8].

В связи с этим физико-математическое моделирование предлагаемого способа обработки почвы с использованием скобообразного рабочего органа для создания и концентрации напряжения в обрабатываемом слое почвы составляет основу данного исследования.

Цель исследования – разработка математических моделей для определения и анализа показателей процесса обработки почвы рабочим органом ско­бо­об­раз­ной формы.

Обзор литературы

С целью достижения необходимых агротехнических и энергетических показателей работы для обеспечения конкурентоспособности создаваемой техники при теоретическом и практическом обосновании параметров новых рабочих органов и почвообрабатывающих машин исходят из ряда требований, главными из которых являются степень крошения почвы, тяговое сопротивление, устойчивость хода рабочих органов по глубине, выровненность поверхности поля.

При обосновании основных подходов к проектированию почвообрабатывающих машин и в процессе разработки модели взаимодействия рабочих органов с почвой экспериментально подтверждено, что крошение почвенного пласта на лемешно-отвальной поверхности происходит за счет возникновения сил взаимодействия между элементами пласта с разным шагом [9].

При обосновании конструктивных особенностей и исследовании работы нового дизельного комбинированного агрегата, совмещающего за один проход по полю три технологические операции (глубокое рыхление, крошение верхнего слоя почвы и внесение удобрений), установлено, что рациональная конструкция рабочих органов и их комбинация позволяет снизить энергоемкость технологического процесса. Так, Г. Г. Масловым получена аналитическая зависимость для определения потребной мощности двигателя почвообрабатывающего агрегата [10].

Для обеспечения качественной обработки, снижения тягового сопротивления на  дисковых рабочих органах с вогнутой стороны выполнены прорези, с выступающими в направлении его вращения зубьями, которые также имеют вид непрерывной волнистой линии. Установлена форма вырезов между зубьями и число зубьев, обеспечивающих полное схождение с рабочего органа почвы, растительных остатков и исключающих забивание вырезов [11].

С целью улучшения качества крошения почвы разработаны рабочие органы с переменным углом резания. Выявлено, что лезвие с переменным углом резания увеличивает давление на почвенный пласт по сравнению с лезвием, имеющим постоянный угол резания. Подтверждено, что рабочие органы с переменным углом резания на 20‒50 % лучше крошат обрабатываемый пласт, чем типовые [12].

И. М. Бартенев изучил вопросы ударного разрушения и активный оборот почвенного пласта при вспашке новым комбинированным рабочим органом, использование которого на плугах исключает необходимость в дополнительной обработке почвы, связанной с дроблением почвенных глыб и выравниванием поверхности пашни [13].

Также рассмотрен процесс крошения почвенного пласта под воздействием овалообразного рабочего органа. При этом разделению материала под воздействием лезвия предшествует процесс предварительного его сжатия до возникновения на его кромке разрушающего контактного напряжения. Пласт почвы при проходе через рабочий орган подвергается упруго-пластической деформации. В результате теоретических и практических исследований обоснованы конструктивно-технологические параметры рабочего органа [14].

На основе использования принципов бионики и упрочняющих технологий обоснованы конструктивно-технологические параметры ножа почвенной фрезы для крошения, рыхления, перемешивания, частичного оборачивания почвенного пласта, разрезания растительных и пожнивных остатков, уничтожения сорняков, при этом обеспечивается продолжительная сохранность геометрических параметров [15].

Для ротационных орудий с эллипсовидными дисками обоснованы рацио­наль­ные значения технологических параметров ротационного орудия с эллипсовидными дисками. Установлено, что в пределах рабочих скоростей почвообрабатывающий агрегат с эллипсовидными дисками обеспечивает выполнение агротехнических требований к поверхностной обработке почвы [16].

Экспериментальными исследованиями доказана эффективность расположения на стойке комбинированного рабочего органа двух элементов для глубокой и мелкой обработки почвы на одной стойке для послойной безотвальной обработки почвы в виде долота для глубокого рыхления и криволинейного рыхлителя для мелкой обработки почвы. Такое решение обеспечивает заданное качество крошения пласта [17].

Разработанный комбинированный рабочий орган для обработки междурядий посевов пропашных культур состоит из двух элементов: двухъярусного катка и Т-образной лапы. Их работа обеспечивает одновременные разнонаправленные действия на пласт почвы. При этом Т-образная лапа с углом крошения 12° оказывает на почву фронтальное воздействие. Экспериментально установлено, что применение такого рабочего органа снижает площадь испарения на 15‒20 %,  создает мульчирующий слой [18].

По результатам проведенных экспериментов для определения показателей крошения и рыхления суглинистой почвы были выявлены зависимости между коэффициентом крошения и удельной потенциальной энергией, накопленной суглинистой почвой. Доказано, что для суглинистой почвы, находящейся в состоянии физической спелости, крошение начинается при удельной потенциальной энергии 7 622 Па [19].

Исследованиями по определению прочностных характеристик почв ненарушенного строения, значения пределов прочности дерново-подзолистой почвы на сжатие и растяжение в зависимости от абсолютной влажности и количества растительных остатков, определено, что наибольшим сопротивлением к сжатию по всем категориям сельскохозяйственных угодий характеризовались почвы супесчаного гранулометрического состава [20]. На основе метода проектирования рабочих органов для рыхления почвы с использованием деформации растяжения доказано, что сухие почвы обладают высокой прочностью при сжатии [21].

По результатам исследований влияния значений абсолютной влажности суглинистой почвы на модуль упругости первого рода получены пределы прочности почвы на растяжение и сжатие, коэффициент рыхления и другие характеристики почв².

Наиболее эффективным способом ударного разрушения почвенных глыб и в целом почвенного пласта является свободный удар – удар на лету по глыбам и пласту, оторванными от массива почвы, поднятыми над дном борозды и находящимися в воздухе, вращающимся ударником. Эффективность способа обоснована в процессе основной обработки почвы в зоне недостаточного и неустойчивого увлажнения с целью получения высокой степени крошения, снижения энергоемкости  обработки [22].

Динамический удар и вибрация поч­во­об­ра­ба­ты­ваю­ще­го разработанного рабочего органа с энергонакопительно-передающим устройством оказывают значительное влияние на почвенный слой в виде дополнительной степени рыхления, а накопленная энергия удара обеспечивает снижение тягового сопротивления рабочего органа [23; 24].

Для оценки эффективности и выбора наиболее энергоэффективных почвообрабатывающих рабочих органов используют следующую систему критериев: удельное тяговое сопротивление активной фронтальной площади, коэффициент террадинамического сопротивления, основные показатели качества обработки почвы [25].

Материалы и методы

Объектом исследований являлся скобообразный почвообрабатывающий рабочий орган (рис. 1) для сплошной поверхностной обработки различных типов почв на глубину до 20 см.

 

Рис.  1.  Общий вид скобообразного рабочего органа: 1 – наральник; 2 – скоба; 3 – стойка крепления скобы; 4 – предохранитель

Fig.  1.  General view of the bracket-shaped working body: 1 – loosening paw; 2 – bracket; 3 – stand; 4 – safety mechanism

 

Рабочий орган состоит из скобы 2, боковая поверхность которой выполнена в виде половины усеченного конуса, центры его нижнего и верхнего оснований смещены друг относительно друга. В верхней части скоба 2 крепится к поперечной балке стойки 3. В нижней точке вогнутой боковой поверхности скобы 2 жестко крепится рыхлительная лапа 1. Рабочий орган крепится к раме посредством автоматического предохранителя 2.

В процессе движения пласт почвы, подрезанный передней рабочей кромкой скобы 2 и рыхлительной лапой 1 рабочего органа приподнимается и передвигается вдоль ее конусообразной части. Во время движения он подвергается сжатию благодаря смещенному центру основания задней конусной части относительно передней рабочей части скобы 2. При выходе пласта из скобы из-за отсутствия сжимающей силы почва под действием давления сжатия начинает разрушаться или рассыпаться, т. е. происходит ее крошение.

В процессе исследования применяли методы анализа, обобщения и систематизации, теоретической механики, математической статистики и моделирования, теории вероятности, дифференциального исчисления, теорию взаимодействия рабочих органов с почвой и их движения по поверхности поля.

Результаты исследований

Анализ исследований показал, что применяемые в настоящее время почвообрабатывающие рабочие органы разрушают связи между отдельными структурными агрегатами почвы посредством упруго-пластической деформации. Почва деформируется вследствие резания, сжатия, сдвига, растягивания и кручения. Сопротивление почвы и ее рыхление при деформации сжатия практически не исследовано, при этом между удельным сопротивлением почвы и ее твердостью, пластичностью, упругостью, вязкостью и хрупкостью существует сильная корреляционная связь³ [26].

В процессе работы почвообрабатывающего рабочего органа для поверхностной обработки почвы и уничтожения сорных растений происходит концентрация напряжений почвенного пласта в зоне его контакта с внутренней боковой поверхностью скобы 2 и ее вертикальной частью (рис. 1). При этом с увеличением скорости движения интенсивность деформации почвы в обрабатываемом пласте повышается.

Математическая модель для определения силы R, сжимающей почвенный пласт в зависимости от рабочей скорости перемещения скобообразного рабочего органа и силы сопротивления почвы деформации Р, может быть описана следующим выражением [14]:

 $\begin{array}{c}R=\frac{2m}{C_1}\left[\frac{8A^2{l}_d\text{cos}\beta }{\left(\sqrt{V_p^2+4A{l}_d\text{cos}\alpha }+V_p\right)}\right.-\\ \left.-\frac{2A{V}_p}{\sqrt{V_p^2+4A{l}_d\text{cos}\alpha }-V_p}-\frac{P}{2m}\right],\end{array}$  (1)

где m ‒ масса почвенного пласта, кг; l_d ‒ ширина зоны деформации почвенного пласта, мм; β ‒ угол между боковыми поверхностями вертикальной части скобы, град.; V_p ‒ скорость перемещения рабочего органа, м/с; α ‒ угол крошения рабочего органа, град.; P ‒ сила сопротивления почвы деформации, кН; A = b_k(h₁ + εb₁ ‒ εb_k) ‒ коэффициент; b_k ‒ ширина проема при выходе пласта из вертикальной части скобы рабочего органа, мм; h₁ ‒ толщина слоя почвы, поступающего в рабочий орган, мм; b₁ ‒ ширина пласта поступающего в рабочий орган, мм; ε ‒ коэффициент вертикального расширения, зависящий от типа почвы;  $C_1=\frac{\text{sin}\beta -f\text{}\text{cos}\beta }{\text{cos}\beta +f\text{}\text{sin}\beta }$  – коэффициент; f ‒ коэффициент трения почвы по стали.

Из формулы (1) следует, что на рыхление почвы методом повышения интенсивности ее деформации и концентрации напряжения влияют следующие показатели: твердость и плотность почвы, площадь фронтальной проекции рабочего органа, углы резания и крошения почвы, скорость перемещения рабочего органа, траектория движения почвы, динамическое давление, глубина обработки почвы.

Напряжение в почвенном пласте при действии группы сил по профилю скобы рабочего органа можно представить как сумму напряжений от действия отдельных сил, если их рассматривать как дискретные величины (рис. 2).

 

Рис.  2.  Схема возникающих сил напряжения почвенного пласта при движении скобы почвообрабатывающего рабочего органа

Fig.  2.  Scheme of the soil layer stress fromthe moving of the bracket-shaped soil tillage working body

 

В этом случае суммарная сила напряжения в почвенном пласте может быть определена из выражения:

$\begin{array}{c}{\sigma }_l=\frac{1}{l^2}\left(R_1\cdot f_1+R_2\cdot f_2+\dots +R_n\cdot f_n\right)=\\ =\frac{1}{l^2}{\displaystyle \sum }_{i=1}^n{R}_i\cdot f_i,\end{array}$  (2)

где $f=\frac{\rho }{l}$  – коэффициент; ρ – расстояние от точки приложения i – той силы до центра концентрации напряжений, м; l – глубина формирования сил напряжений в почвенном пласте, м.

Скобообразный поч­во­об­ра­ба­ты­ва­ющий рабочий орган, в отличие от типовых рабочих органов, которые разрушают связи между отдельными структурными агрегатами почвы, позволяет разрыхлить и раскрошить почву сжатием при условии нарастания интенсивности ее деформации, создавая концентрацию напряжений.

В этой связи суммарная сила сжатия пласта почвы зависит от ширины l_d зоны деформации почвенного пласта, твердости почвы, скорости перемещения, площади фронтальной проекции и обтекаемости рабочего органа.

 

В общем случае суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом может быть представлена следующей зависимостью:

$F_t=f\left(T, V_w, F\right)$ ,                 (3)

где Т – твердость почвенного пласта, кг/см²; V_p – скорость перемещения рабочего органа, м/c; F – площадь фронтальной проекции рабочего органа, см².

 

Площадь фронтальной проекции F рабочего органа зависит от ширины l_d зоны деформации почвенного пласта и глубины обработки почвы. Чем меньше глубина обработки h_sm и ширина l_d зоны деформации почвы, тем меньше значение F.

В формуле (3) при фиксированном значении глубины обработки значение F = const, а твердость Т почвенного пласта и скорость V_p перемещения рабочего органа являются случайными величинами в вероятностно-статистическом смысле.

Вместе с тем при функционировании рабочего органа только скорость его перемещения V_p является управляемым параметром.

 

С учетом выражения (3) суммарная сила сжатия почвенного пласта ско­бо­об­раз­ным рабочим органом может быть рассчитана следующей зависимостью:

$F_t^{\Sigma }=\mathrm{0,5}{C}_p{K}_{d}T{V}_w^{2}F$ ,         (4)

где C_p = 9,81 ‒ поправочный коэффициент [25]; K_d ‒ коэффициент террадинамического сопротивления рабочего органа, учитывающий обтекаемость рабочих органов и зависящий от формы поверхности рабочего органа и твердости почвы.

 

В формуле (4) произведение Т$V_p^2$  представляет скорость напора P_d (или динамическое давление) на почвообрабатывающий рабочий орган.

Обозначая $P_d=\mathrm{0,5}T{V}_p^2$  и подставив в выражение (3) примет вид:

$F_t^{\Sigma }=\mathrm{0,5}{C}_p{K}_{d}F{P}_d$ .              (5)

С учетом выражения (2) при фиксированных значениях твердости почвенного пласта Т и площади фронтальной проекции F рабочего органа суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом представляет собой произвольную дифференцируемую функцию $F_t^{\Sigma }=f\left(P_d\right)$   .

Так как твердость почвы T и скорость V_p перемещения рабочего органа являются непрерывными случайными величинами, то скорость напора P_d также имеет вероятностный характер.

 

Детерминированная функция P_d = f(V_p) представляет собой кривую второго порядка типа (при x ≥ 0, рис. 3):

$y=b{x}^2$ ,                        (6)

где b = T ‒ угловой коэффициент, равный значению твердости почвы на обрабатываемом агрофоне; x = V_p ‒ аргумент функции (6);  $P_d^{\text{max}}$ ‒ максимальное значение скорости напора (или динамического давления (рис. 3), кг/см²;  $V_p^{\text{max}}$ ‒ максимальное значение скорости перемещения рабочего органа (рис. 3), м/с.

 

 

Рис. 3. Схема к определению скорости напора Pd (динамического давления) на рабочий орган

 

Fig. 3. Scheme for determining the speed of pressure Pd on the working body

 

 

С учетом выражений (4) и (6) математическое ожидание суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом можно определить с помощью соотношения:

$M\left(y\right)=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{{\displaystyle \int }}}f\left(x\right)\phi \left(x\right)dx$ ,         (7)

где  $\phi (x)={({\sigma }_x\sqrt{2\pi })}^{-1}exp\left[-\frac{{(x-m)}^2}{2{\sigma }_x^2}\right],$ $f\left(x\right)=b{V}_p^2$  – плотность распределения вероятностей случайной величины x; m, σ_x – соответственно математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение величины x.

 

С учетом выражений (6) и (7) получим:

$\begin{array}{c}M\left(y\right)=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{{\displaystyle \int }}}f\left(x\right)\phi \left(x\right)dx=\\ =\frac{1}{{\sigma }_{V_p}\sqrt{2\pi }}\underset{-\infty }{\overset{\infty }{{\displaystyle \int }}}\left(b{V}_p^2\right)e^{-{(V_p-{\overline{V}}_p)}^2/\left(2{\sigma }_{V_p}^2\right)}d{V}_p.\end{array}$   (8)

 

Решая интегральное выражение (8), окончательно получим формулу для определения математического ожидания (или среднего значения) суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом:

 

     $\begin{array}{c}{F}_t^{\Sigma }=\mathrm{0,5}{C}_p{K}_{d}F{P}_d=\\ =\mathrm{0,5}{C}_p{K}_{d}F\left[b{V}_p^2\left(1+v_{V_p}^2\right)\right],\end{array}$   (9)

где F ‒ площадь фронтальной проекции рабочего органа, см²; V_p ‒ скорость перемещения рабочего органа, м/с; $v_{V_p}=\frac{{\sigma }_{V_p}}{\overline{V_p}}$    – коэффициент вариации скорости перемещения рабочего органа; ${\sigma }_{V_p}-$  среднее квадратическое отклонение скорости перемещения рабочего органа, м/с;  ${\overline{V}}_p$ – среднее значение скорости перемещения рабочего органа, м/с.

На основании проведения теоретических расчетов были получены зависимости скорости напора, тягового сопротивления и суммарной силы сжатия почвенного пласта от скорости перемещения рабочего органа.

 

На рисунке 4 представлены графические зависимости тягового сопротивления R_a рабочего органа и скорости напора P_d на рабочий орган от скорости его перемещения.

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимости тягового сопротивления Ra (кривая 1)
и скорости напора Pd (кривая 2) от скорости Vp перемещения рабочего органа
(агрофон – вспаханное поле после зерновых, глубина обработки почвы h = 20 см)

Fig. 4. Dependencies of the traction resistance Ra (curve 1)
and the pressure velocity Pd (curve 2) on the working body on the speed of its movement
(agrobackground – a plowed field after harvesting grains, tillage depth h = 20 cm)

 

 

Анализ полученных результатов исследований показывал, что с повышением скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с скорость напора P_d на рабочий орган увеличивается с 247 до 276 кг/см², при этом тяговое сопротивление рабочего органа R_a возрастает от 2,47 до 2,7 кН.

Согласно полученным данным были выявлены закономерности изменения динамического давления P_d и тягового сопротивления R_a рабочего органа от скорости его перемещения, которые описываются следующими моделями:

 

$P_d=\mathrm{0,094944}{V}_p^2+\mathrm{0,006747}{V}_p-\mathrm{0,01853,}$  (10)

 

 $R_a=\mathrm{4,20750}{V}_p^2-\mathrm{36,24550}{V}_p+\mathrm{324,67360.}$ (11)

С использованием формулы (9) была установлена суммарная сила сжатия почвенного пласта рабочим органом при различных скоростях его перемещения и средней глубине обработки почвы 20 см.

На рисунке 5 показана зависимость суммарной силы сжатия F_t почвенного пласта рабочим органом от его скорости перемещения.

 

 

 

 

Рис. 5. Зависимость среднего значения суммарной силы сжатия почвенного пласта $F_t^{\Sigma }$ 
рабочим органом от скорости его перемещения (агрофон – вспаханное поле после зерновых,
глубина обработки почвы h = 20 см)

Fig. 5. Dependence of the average value of the total force of compression of the soil layer $F_t^{\Sigma }$ 
by the working body on its speed of movement (agrobackground – a plowed field after harvesting grains,
the depth of tillage h = 20 сm)

 

 

Полученные данные позволили установить закономерность изменения суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом при скорости его перемещения V_p от 1,28 до 1,93 м/с, которая описывается следующей зависимостью:

 

   $\begin{array}{c}\overline{F_t^{\Sigma }}=\mathrm{34,99390}{V}_p^2-\\ -\mathrm{277,69185}{V}_p+\mathrm{2980,36561.}\end{array}$      (12)

 

С повышением скоростного режима работы рабочего органа наблюдается увеличение суммарной силы сжатия почвенного пласта рабочим органом от 2,44 до 2,74 кН.

Установлена разная динамика изменения тягового сопротивления R_a рабочего органа, динамического давления P_d и суммарной силы F_t сжатия почвенного пласта рабочим органом при повышении скорости V_p его перемещения. Так, при увеличении скорости от 1,28 до 1,93 м/с суммарная сила F_t сжатия почвенного пласта рабочим органом возрастает на 11‒12 %, а скорость напора P_d повышается на 127,3 %.

Сила сжатия почвенного пласта рабочим органом значительно зависит от твердости почвы, площади фронтальной проекции рабочего органа и его обтекаемости, скорости его перемещения и динамического давления на него.

 

Время прохождения почвенного пласта через скобу рабочего органа можно определить из формулы:

$t_{sl}=\frac{b_{sl}}{V_p}$ ,                     (13)

где b_sl ‒ ширина зоны деформации почвенного пласта (равна ширине скобы рабочего органа), м; V_p ‒ скорость перемещения рабочего органа, м/с.

В пределах изменения скорости перемещения предлагаемого рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с, время прохождения почвенного пласта варьирует в пределах $t_{sl}=\mathrm{0,0414}-\mathrm{0,0625}$  с.

 

Потребная мощность на сжатие почвенного пласта рабочим органом определяется из выражения:

$N_p={10}^{-3}{F}_{\text{t}}^{\text{Σ}}\frac{b_{sl}}{t_{sl}}$ ,              (14)

где $F_t^{\text{Σ}}-$  суммарная сила сжатия почвенного пласта скобой рабочего органа, Н.

На рисунке 6 представлена зависимость потребной мощности N_p на сжатие почвенного пласта рабочим органом от скорости его перемещения.

 

 

Рис. 6. Зависимость потребной мощности Np на сжатие почвенного пласта рабочим органом
от скорости его перемещения

Fig. 6. Dependence of the required power Np spent on the compression of the soil layer
by the working body on the speed of its movement

 

 

При повышении скорости V_p перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с мощность затрачиваемая на сжатие почвенного пласта увеличивается от 3,12 до 5,3 кВт.

Выявлена закономерность изменения потребной мощности N_p на сжатие почвенного пласта рабочим органом от скорости его перемещения, которая описывается зависимостью:

 

$N_p=\mathrm{1,22360}{V}_p^2-\mathrm{0,57393}{V}_p+\mathrm{1,84987.}$  (15)

 

Зависимость справедлива в диапазоне изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с при глубине обработки почвы 20 см.

Энергия J_p, необходимая для сжатия почвенного пласта рабочим органом, определяется из формулы:

       $J_p={10}^{-3}{F}_{\text{t}}^{\text{Σ}}{V}_p\frac{b_{sl}}{t_{sl}}.$       (16)

На рисунке 7 представлена зависимость изменения энергии от скорости перемещения рабочего орган при сжатии почвенного пласта.

 

 

 

 

Рис. 7. Зависимость изменения энергии Jp от скорости перемещения рабочего органа
при сжатии почвенного пласта

Fig. 7. Dependence of the amount of energy Jp, spent on the compression of the soil layer
by the working body on the speed of its movement

 

 

В интервале изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с количество энергии J_p, затрачиваемое на сжатие почвенного пласта рабочим органом, увеличивается от 0,150·10^‒4 до 0,169·10^‒4 МДж.

На основании выявленной зависимости получено математическое выражение изменения количества энергии от скорости перемещения рабочего органа при сжатии почвенного пласта:

 

   $\begin{array}{c}{J}_p=(\mathrm{0,024887}{V}_p^2-\\ -\mathrm{0,05066}{V}_p+\mathrm{0,17407})\cdot {10}^{-4}.\end{array}$   (17)

 

Зависимость справедлива в диапазоне изменения скорости перемещения рабочего органа от 1,28 до 1,93 м/с при глубине обработки почвы 20 см.

Анализ представленных математических моделей и выявленных закономерностей разработанного скобообразного рабочего органа позволяет заключить, что обработка почвы становится эффективной при концентрации напряжений в обрабатываемом пласте с рабочими органами замкнутого контура с определенными конструктивными параметрами.

Обсуждение и заключение

Разработанные математические модели расширяют теоретические и практические знания о процессах обработки почвы методом концентрации напряжений в обрабатываемом пласте.

Предложенные модели позволяют определить напряжение в почвенном пласте от действия группы сил в профиле скобы рабочего органа, среднее значение суммарной силы сжатия почвенного пласта, время прохождения почвенного пласта через рабочий орган, потребную мощность сжатия почвенного пласта и количество энергии, затрачиваемой на сжатие почвенного пласта рабочим органом.

Установлены закономерности изменения динамического давления, тягового сопротивления, суммарной силы, потребной мощности и энергии сжатия почвенного пласта от скорости перемещения рабочего органа.

Описанные математические модели и выявленные закономерности изменения параметров процесса обработки почвы рабочим органом замкнутого контура в дальнейшем позволят разработать новые эффективные рабочие органы и оптимизировать конструктивно-технологические параметры и режимы их работы.

 

 

¹           Бурченко П. П. Механико-технологические основы почвообрабатывающих машин нового поколения. Рос. акад. с.-х. наук, Гос. науч. учреждение Всерос. науч.-исслед. ин-т механизации сел. хоз-ва (ГНУ ВИМ). М. : ВИМ, 2002. 211 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01002151495 (дата обращения: 20.10.2022); Панов И. М., Ветохин В. И. Физические основы механики почв. Киев: Феникс, 2008. 266 с.; Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М. : Машиностроение, 1977. 328 с.

²           Лобачевский Я. П., Старовойтов С. И. Физические аспекты суглинистой почвы. Брянск, 2015. 92 с.

³           Хайлис Г. А. Механико-технологические свойства сельскохозяйственных материалов. Луцк : ЛГТУ, 1998. 268 с.

 

作者简介

Aleksandr Dobrinov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

编辑信件的主要联系方式.
Email: a.v.dobrinov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3242-1235
Researcher ID: AAC-9655-2020

Cand.Sci. (Engr.), Associate Professor, Senior Researcher, Department of
Agroecology in Crop Production

俄罗斯联邦, 3 Filtrovskoye Shosse,Tyarlevo, Saint Petersburg 196625

Nozim Dzhabborov

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: nozimjon-59@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8910-2625
Researcher ID: A-7780-2019

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Leading Researcher, Department of Agroecology
in Crop Production

俄罗斯联邦, 3 Filtrovskoye Shosse, Tyarlevo, Saint Petersburg 196625

Anatoliy Saveluev

National Research Mordovia State University

Email: tbsap52@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0361-0827
Researcher ID: AAB-2078-2021

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Professor of the Chair of Life Safety

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

参考

补充文件