До методики обґрунтування критичної глибини при глибокому обробітку ґрунту
| [ Викачати з сервера (494.0 Kb) ] | 29.05.2014, 16:33 | ||||
| УДК 631.3:631.4 ДО МЕТОДИКИ ОБҐРУНТУВАННЯ КРИТИЧНОЇ ГЛИБИНИ ПРИ ГЛИБОКОМУ ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ Д. Прокопенко, д.т.н. Західний філіал Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Ключові слова: пошаровий обробіток, глибока оранка, теорія міцності, реологія, критична глибина. Key words: level-by-level processing, deep ploughing, the theory of strength, rheology, critical depth. Розроблена методика аналітичного визначення критичної глибини та подані результати досліджень на прикладі двогранного клина. The method of analytical definition of critical depth is developed and results of researches on an example of a dihedral wedge are presented. Постановка проблеми. Глибокий обробіток застосовують при вирощуванні цукрових буряків, цикорію та інших кореневищних культур. Глибока оранка є надто енергомістка операція, оскільки такий обробіток пов'язаний із значним ущільненням ґрунту. Тому, з метою зменшення об'ємних деформацій ґрунту, при глибокому обробітку доцільно проводити пошаровий обробіток. При розробці технології глибокого обробітку ґрунту необхідно знати критичну глибину. Виклад матеріалу. За критичну глибину приймається глибина, за якої деформатор з відповідними конструктивними та геометричними параметрами рухається в ґрунті на глибині, при якій можливе його сколювання. Розглянемо взаємодію робочого органу з ґрунтом при глибокому обробітку на прикладі двогранного клина (рис. 1).
На робочу поверхню клина діють такі сили: сила стискання підрізаного пласта N1; сила опору зсуву пласта з боків клина N2; вага пласта mg; сила опору підрізання пласта, пов'язана з відділенням його від моноліту Pr. При вдавлюванні клина у відкриту стінку моноліту на глибині hкр деформація ґрунту на поверхні клина зростає від 0 до P(x1), де напруження дорівнює довготривалій границі міцності  . Таким чином, точка P(x1) розділяє границю, при якій завершується ущільнення ґрунту і з'являється можливість сколювання.Результуюча всіх сил, що діють на поверхню клина під час його руху, створює нормальну силу до поверхні можливого сколювання Nn, яка зрівноважується відпором непорушеного ґрунту, що знаходиться спереду клина. В площині можливого сколювання виникають дотична сила T та сила Tj, обумовлена прискоренням пласта. Сколювання має місце при умові:  , (1)де Tгр – гранична дотична сила, обумовлена границею міцності при зсуві ґрунту. Дотичну силу T в площині сколювання можна представити [1] у вигляді:  , (2)де φ – кут внутрішнього тертя; ν – пластична в'язкість; Vc – швидкість сколювання пласта; c – жорстке зчеплення; hкр – критична глибина; β – кут сколювання. Нормальна сила Nn до площини сколювання запишеться як  (3)де σ(x) – нормальне напруження; η – нормальні напруження, які мають місце при зсуві ґрунту з боків клина; F1 – площа, на якій діють нормальні напруження σ(x); F2 – площа, на якій діють нормальні напруження при зсуві; G – вага пласта; α – кут постановки клина до горизонтальної площини; φ0 – кут тертя ґрунту по сталі; b – ширина клина. Результатами наших досліджень встановлено, що при глибокому обробітку ґрунт можна моделювати як суцільне пружно-в'язко-пластичне середовище, яке описується інтегральними рівняннями типу Больцмана-Вольтерри [2]. Тоді рівняння (3) буде мати вигляд:   (4)де E0, G0 – модуль деформації відповідно при стиску і зсуві; ε(x), ε(θ) – відносна нормальна деформація в довільній точці x відповідно в поточний τ і попередні θ моменти часу; B1, γ, B2, γ1 – реологічні характеристики ґрунту при нормальних напруженнях та зсуві; f – коефіцієнт тертя ґрунту по сталі; l – довжина клина; ψ(x), ψ(θ) – відносна деформація зсуву в поточний і попередні моменти часу. Деформація ε(x) в довільній точці визначиться (рис. 1) як  , (5)а час розвитку деформації –  . (6)Деформація в точці P(x1) буде:  , (7)де Eпр – приведений модуль деформації. Якщо з рівняння (5) визначити координату x1 для випадку  , то одержимо , (8)а час, за який розвинеться деформація, буде  . (9)Деформація в функції часу визначиться з рис. 1:  . (10)Для дотичних напружень, які виникають внаслідок зсуву пласта з боків клина, відносна деформація зсуву ψ(x) запишеться аналогічно:  ; (11) ; (12) . (13)Підставивши в рівняння (4) вирази (5)-(13), виконаємо інтегрування і одержимо нормальну силу до площини сколювання:    , (14)де Rr – питомий опір чистого різання з врахуванням, що різання здійснюється з ковзанням [3]:  , (15)де r0 – радіус закруглення поперечного перерізу леза; g – прискорення вільного падіння; ρ – щільність ґрунту; μ – коефіцієнт Пуассона ґрунту; V – поступальна швидкість;  – коефіцієнт опору поперечного перерізу леза.Дотична сила Tj в площині сколювання запишеться [4] як  . (16)Гранична дотична сила при сколюванні Tгр буде:  , (17)де ηгр – допустима границя міцності при зсуві. Підставивши в рівняння (1) вирази (2), (4), (14), (15) і (17), отримаємо рівняння, яке встановлює функційний зв'язок між критичною глибиною, геометричними, технологічними параметрами клина та фізико-механічними, реологічними і міцнісними характеристиками ґрунту:     . (18)Розв’язуючи рівняння (18) відносно hкр, можна одержати формулу для визначення критичної глибини при пошаровому обробітку ґрунту. З метою інтерпретації отриманих залежностей проведені розрахунки, в яких почергово при зміні одного з параметрів інші параметри мали постійні значення. На рис. 2 наведена залежність критичної глибини від технологічної швидкості V, ширини підрізання пласта b, кута різання α, і тягового опору від швидкості та кута різання. Як видно з графіка, критична глибина із збільшенням швидкості зростає. Це пояснюється тим, що із збільшення швидкості зростає міцність ґрунту та зменшується релаксація напружень, а підтримання постійного напруженого стану ґрунту здійснюється внаслідок зменшення відносної деформації за рахунок зростання hкр. Що стосується залежності hкр(b), то із збільшенням ширини пласта критична глибина зменшується, особливо в межах 10...20 см, а далі залишається майже незмінною. Це відбувається тому, що із збільшенням ширини підрізання пласта нормальна сила, яка пов'язана із стиском пласта, зростає, а нормальна сила, яка виникає внаслідок зсуву з боків клина, залишається постійною. Тому сумарні напруження зростають, і разом з тим збільшується й відносна деформація за рахунок зменшення критичної глибини. Зростання hкр із збільшенням кута різання α пояснюється тим, що ріст α викликає збільшення відносної деформації ε(α), а її постійність забезпечується за рахунок зростання критичної глибини.
Тяговий опір Rx(α) із збільшенням α зростає, оскільки одночасно зростає сумарна відносна деформація, як за рахунок стиску пласта робочою поверхнею клина, так і за рахунок його зсуву з боків клина. З ростом швидкості тяговий опір клина Rx(V) дещо зменшується. Це пояснюється тим, що показана залежність саме при критичній глибині, яка з ростом швидкості збільшується. Висновки. Наведена методика визначення критичної глибини на прикладі двогранного клина може використовуватися при обґрунтуванні параметрів різних типів робочих органів, призначених для глибокого пошарового обробітку ґрунту. Бібліографічний список 1. Прокопенко Д. Д. Експрес метод визначення реологічних та міцнісних характеристик ґрунтів в польових умовах // Вісник Львівського державного аграрного університету. Агроінженерні дослідження.– Львів: 2000.– №4.– С. 108-117. 2. Работнов Ю. Н. Элементы наследственной механики твердых тел.– М.: Наука.– 1977.– 384 с. 3. Прокопенко Д. Д. Усилие чистого резания задернелых почв // Механизация и электрификация производственных процессов в сельском хозяйстве. Научные труды Львовского СХИ.– Львов: 1978.– Т.79.– С. 9-14. 4. Куллен А., Куиперс Х. Современная земледельческая механика.– Агропромиздат.– 1986.– 349 с. | |||||
| Переглядів: 757 | Завантажень: 294 | | |||||
| Всього коментарів: 0 | |