Разработка конструкции и обоснование параметров плужного каналокопателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛУЖНОГО КАНАЛОКОПАТЕЛЯ

С.Я. Семененко

доктор сельскохозяйственных наук, доцент,

В.Г. Абезин

доктор технических наук, профессор

Поволжский научно-исследовательский институт

эколого-мелиоративных технологий,

Н.Н. Дубенок

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Российский государственный аграрный университет

МСХА имени К.А. Тимирязева

Цель исследований - разработка конструкций и обоснование параметров плужного каналокопателя, способствующего эффективной реализации технологического процесса поделки временной оросительной сети с соблюдением требований по его энергоемкости. Стратегическим направлением использования существующих мелиорированных земель является обеспечение населения овощной продукцией, а животноводство - кормами. При этом особую актуальность в период введения западными странами различного рода санкций приобретают оросительные мелиорации. Перед сельхозпроизводителями и, в первую очередь, учеными-аграриями стоит задача значительного уменьшения затрат на производство продукции для повышения ее конкурентоспособности. В структуре затрат на орошение культур дождеванием 45-58 % приходится на энергоносители, что приводит к увеличению стоимости сельскохозяйственной продукции. В этой связи необходимо обратиться к незаслуженно забытому поверхностному способу полива: по бороздам, полосам и затоплением. При этом совершенствованию технологий выполнения механизированных операций, главным образом таких энергоемких, как поделка временной оросительной сети, должно уделяться особенно пристальное внимание. В качестве основного методологического подхода для определения исходных требований к разрабатываемым конструкциям и их параметрам приняты известные положения выбора способа орошения на основании водопроницаемости почв, коэффициента фильтрации, степени засоленности и топографии. Преимуществом предлагаемой конструкции является возможность получения выровненных и уплотненных стенок дна и откосов, временных оросителей и мелких каналов, что позволяет продлить срок их службы и обусловливает качественное осуществление технологического процесса полива орошаемых культур в течение всего вегетационного периода.

Ключевые слова: поверхностное орошение, временная оросительная сеть, каналокопатель, каток, уплотнительные барабаны, боковины.

S.Ya. Semenenko, V.G. Abеsin, N.N. Dubenok

DESIGN ENGINEERING AND SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF A DIGGER PLOW

The purpose of research is the engineering development and substantiation of parameters of a digger plow enabling the effective implementation of technological process of making a temporary irrigation network in compliance with the requirements of its energy consumption. The strategic direction of the existing reclaimed lands use is the population support with vegetable production and livestock with fodder. During the introduction of various kinds of sanctions by Western countries irrigation engineering is of particular relevance. Farmers and above all, agricultural scientists face the task of significant farm production expenses decrease for its competitive growth. Within irrigation costs by sprinkling, 45-58 % accounts for energy resources, which lead to an increase in the cost of agricultural products. In this regard, it's necessary to refer to undeservedly forgotten surface method of irrigation: by furrow, strips and flooding. At the same time improving the technologies of the mechanized operations, mainly such energy-intensive as hack temporary irrigation network, should be given particular attention. As the main methodological approach of determining the initial requirements to the developed structures and their parameters, the well-known conditions of irrigation methods choice based on soil permeability, filtration coefficient, degree of salinity and topography were adopted. The advantage of the proposed design is the availability of compacted and leveled-off walls of bottom and slopes, temporary sprinklers and small canals that allow to extend their life and cause the qualitative implementation of technological process of watering of irrigated crops during the vegetation season.

Keywords: surface irrigation, temporary irrigation network, digger plow, roller, seal drums, sidewalls.

Введение

При поверхностных способах полива устраивается регулирующая оросительная сеть, не препятствующая механизации полевых работ. Она предназначена для забора воды из младшего элемента постоянной (транспортирующей) сети, ее подачи в поливные борозды, полосы при поверхностном поливе и к дождевальным машинам (ДДА-100МА) при дождевании. Временная оросительная сеть нарезается ежегодно каналокопателями трапецеидального сечения глубиной 70…120 см, шириной по дну 20…60 см и заложением откосов 1,0…1,5 по предварительно спланированным трассам. Сечение выполняют в полувыемке-полунасыпи с обеспечением командования уровня воды над бороздами не менее 3…5 см. Осуществление командования по всей длине временного оросителя является основным критерием эффективной работы оросительной сети [1].

Данный критерий гарантируется качеством укладки дамбы временного оросителя, постоянством его глубины и уплотнением дна и откосов оросителя.

Устраивается временная оросительная сеть каналокопателями с пассивными рабочими органами плужного типа, агрегатируемыми с тракторами тяжелого типа. Каналокопатели относятся к машинам непрерывного действия с пассивными (плужными), активными (роторными) и комбинированными рабочими органами [2].

Плужные каналокопатели выпускаются в виде двухотвального плуга и подразделяются на прицепные с колесным ходом и навесные.

При движении агрегатирующего трактора плужной корпус заглубляется в грунт, который по отвалам каналокопателя непрерывно поднимается под действием силы тяги из выемки на поверхность [3].

Плужные каналокопатели можно использовать на минеральных и торфяных грунтах, не содержащих крупных камней и мощной корневой системы древесной растительности [4].

Разработанная авторами конструкция плужного каналокопателя предназначена для устройства временной оросительной сети.

В ходе анализа известных конструкций каналокопателей установлено, что все они не вполне отвечают современным требованиям по энергоемкости технологического процесса, а также не способствуют образованию уплотненного дна и откосов канала.

Материалы и методы

Цель исследований - разработка конструкций и обоснование параметров плужного каналокопателя, эффективно реализующего технологический процесс поделки временной оросительной сети с соблюдением требований по его энергоемкости. Методология разработки конструкции и обоснования схемы расчета параметров плужного каналокопателя базируется на теории и практике комплексных мелиораций, основных положениях теории технических систем и Федерального закона «О техническом регулировании», результатах критического анализа имеющихся технических решений по данной проблеме. Объектом исследований является процесс поделки временной оросительной сети при организации поверхностных способов полива сельскохозяйственных культур. В качестве основных критериев эффективности этого процесса приняты: целевая функция минимизации энергозатрат на поделку временных оросителей и мелких каналов, увеличение производительности труда, обеспечение качества продукта производства. Предметом исследований являются конструкции плужного каналокопателя как средства механизации рассматриваемого процесса.

Результаты и обсуждение

Специфика предложенной конструкции заключается в следующем. На стойке 1 установлены лемех 2 и корпус 3. Корпус 3 опирается в нижней части на опорный, регулируемый по высоте каток 4, длина которого равна ширине дна канала при его трапецеидальном сечении. На наружных кромках корпуса 3 шарнирно расположены уплотнительные барабаны 5, закрепленные к корпусу с помощью подшипников скольжения 6. Перед корпусом 3 установлен вертикальный дисковый нож 7 на регулируемых по высоте стойках 8. Стойка 1 закреплена к навесной гидросистеме 9 трактора. Боковины 10 корпуса, выполняющие функции отвалов, зафиксированы относительно стойки 1 распорками (не показаны), с внутренней стороны боковин 10 при помощи подшипников скольжения 11 на осях 12 установлены ролики 13, размещенные в окнах 14 боковин 10. Подшипники 11 закреплены к боковинам 10 болтами 15. Ролики 13 размещены на боковинах 10 по траектории движения пласта почвы при работе плужного каналокопателя (рисунок 1).

Плужный каналокопатель работает следующим образом.

Орудие навешивается на гусеничный трактор так, чтобы навеска была блокирована от поворота в горизонтальной плоскости в транспортном положении орудия. Глубина канала определяется положением опорного катка 4, длина которого должна соответствовать ширине канала по дну. Каналокопатель должен работать при плавающем положении рукоятки гидрораспределителя. При движении плужного каналокопателя в заглубленном состоянии дисковый нож 7 разрезает пласт в вертикальной плоскости, а лемехи 2 надрезают пласт в горизонтальной плоскости и направляют его на боковины 10 корпуса 3. При этом снижается тяговое усилие на разрезание пласта передней частью корпуса 3. При перемещении пластов по боковинам 10 пласты взаимодействуют с роликами 13, а трение скольжения при этом заменяется трением качения, что также уменьшает тяговое сопротивление плужного каналокопателя, так как корпус 3 в нижней части опирается на каток 4, который обеспечивает дополнительное снижение тягового сопротивления. Кроме того, каток 4 образует выровненное уплотненное дно канала, что позволяет производить облицовку дна без дополнительных операций.

Уплотнительные барабаны 5 выполняют выравнивание и уплотнение откосов путем перекатывания, что ведет к снижению тягового сопротивления. Использование дискового ножа 7, катка 4, уплотнительных барабанов 5, роликов 13 дает возможность получения заданного технического результата.

Рисунок 1 - Технологическая схема каналокопателя

плужный каналокопатель оросительный полив

Исходными данными для проектирования рабочего органа плужного каналокопателя принимают параметры канала: ширину по дну , глубину выемки , высоту отсыпки грунта , высоту лобового контура лемешно-отвальной поверхности [5]:

м. (1)

Высота передней части отвала

(2)

задается углом заложения откосов ; углом установки лемеха по дну траншеи , крыла отвала к направлению движения , крыла отвала по дну траншеи , крыла отвала к направлению движения ; отношение , где - вылет направляющей кривой.

Процесс копания грунта рабочим органом плужного каналокопателя можно описать следующим образом: в первоначальной стадии происходит заглубление рабочего органа на заданную глубину (путь заглубления обычно 4...8 м). При этом лемех каналокопателя, представляющий собой плоский двугранный клин, уплотняет грунт за счет его сжатия впереди себя и внедряется в него. Затем грунт начинает сдвигаться по плоскостям наибольших касательных напряжений, расположенных под некоторым углом к горизонту [6].

Усилия, действующие на рабочий орган, зависят от многих факторов: геометрических параметров лемешно-отвальной поверхности и ее типа, условий работы орудия, физико-механических свойств грунта, способа агрегатирования и конструкции опорного устройства (роликовое опорное устройство) [7].

Рабочий орган плужного каналокопателя обычно представляет собой нижнюю плоскую (лемех), среднюю сферическую (грудь) и верхнюю плоскую или близкую к плоской (отвал) поверхности [8].

Для упрощения решения задачи лемешно-отвальную поверхность плужного каналокопателя можно заменить двумя парами клиньев: сдвоенными прямолинейно в нижней части (включая лемех) и косо поставленными один к другому в верхней части (рисунок 2) [5, 6, 9].

Рисунок 2 - Определение равнодействующих грунта на нижнюю и верхнюю части плужного корпуса каналокопателя

Плужные каналокопатели (двубортные) работают в условиях закрытой борозды, то есть в условиях блокированного резания, когда пласт при транспортировании его в пределах выемки по лемешно-отвальной поверхности защемляется между стенками откоса и корпусом каналокопателя. Траектория относительного движения этого пласта близка к геодезической линии. Так как нижняя часть рабочего органа, действующая в пределах выемки, наиболее нагружена, то траекторию относительного движения пласта по лемешно-отвальной поверхности плужного каналокопателя можно принимать за геодезическую линию, расположенную под углом к лезвию лемеха, в соответствии с рисунком 1.

На рабочий орган в нижней его части будет действовать сила - нормальная сила, возникающая в основном в первой фазе копания за счет деформации пласта и его сопротивления сжатию (рисунок 2) [10].

При перемещении грунта по рабочей поверхности во второй фазе определяется сопротивлением грунта сдвигу , составляющей от веса пласта и пригрузки призмы волочения, которая образуется перед корпусом [3].

Спроектировав эти силы на оси ОХ и OZ, получим в соответствии с теорией косого клина формулы для составляющих равнодействующей:

(3)

(4)

где - угол вступления пласта на лемех, град;

- угол трения грунта, град;

- угол естественного откоса грунта, град.

Применив теорию «идеального» (без трения клина) [8], находим:

, (5)

где - коэффициент сцепления грунта, Н/м²; для песчаных и торфяных грунтов = (0,1...0,5)10⁵ Н/м², для суглинков = (0,5...1,0)10⁵ Н/м² и для глин = (1,5...2,5)10⁵ Н/м²;

- площадь поперечного сечения канала, м²;

- угол призмы волочения, град;

, - углы установки «идеального» лемеха, град.

(6)

(7)

(8)

где Ф - конструктивный коэффициент плужного лемеха;

, - вспомогательные углы, град.

; (9)

, (10)

где - сила тяжести призмы волочения и пласта грунта, кН.