Основы расчета усилия резания объемным рыхлителем и элементы физики этого процесса

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ФГОУ ВПО МГУП

Основы расчета усилия резания объемным рыхлителем и элементы физики этого процесса

Ю.П. Леонтьев

В сельскохозяйственных районах страны доля тяжелых переувлажненных почв составляет около 26 млн. га, [1]. Глубокое рыхление подпахотного слоя достаточно эффективно способствует внутрипочвенному стоку и аккумуляции влаги, окультуриванию подстилающих горизонтов почвы. Целесообразность глубокого рыхления как вида агромелиоративного мероприятия научно доказана рядом исследований. Одним из наиболее простых, но достаточно производительных машин является рыхлитель типа РГ-08 конструкции ВНИИГиМ. Вопросы влияния процесса рыхления на улучшение водно-физических свойств, структуры почвы, урожайность культур достаточно изучены. Однако научно обоснованных рекомендаций по определению тяговых усилий, методики выбора параметров рыхлителей практически нет.

Условия взаимодействия рабочего органа объемного рыхлителя с грунтом существенным образом отличается от рабочих органов землеройных машин, а именно: блокированное резание, большая глубина, требования к определенной степени и полноте разрыхления. Методов выбора параметров и расчета усилия резания объемных рыхлителей, отражающих физико-механические свойства грунтов до настоящего времени нет. Формулы для расчета усилий резания элементарными профилями, рекомендуемые А. Н. Зелениным, имеют эмпирический характер, [2]. Как показали экспериментальные исследования автора, усилий резания объемным рыхлителем, полученные результаты отличаются от расчетных по А.Н. Зеленину, особенно при увеличении глубины рыхления. Это можно объяснить тем, что в однородном и изотропном грунте с увеличением глубины рыхления меняется характер деформации грунта лобовой поверхностью рабочего органа. В верхней зоне, непосредственно примыкающей к дневной поверхности, рабочий орган взаимодействует с грунтом уже нарушенного сложения, где происходит дробление, сдвиг и выпирание в сторону поверхности массива грунта. Начиная с определенной глубины, грунт подвергается периодическому сжатию с последующим отрывом его от материка. Эту зону называют переходной. При дальнейшем увеличении глубины грунт под воздействием рабочего органа подвергается постоянному упругопластическому сжатию и вытесняется вниз и в стороны, при этом существенно уплотняясь. Подобные теоретические положения были установлены ранее Е. Д. Томиным при исследовании глубокого резания грунта вертикальным ножом дреноукладчика, [3]. Четкой границы между этими зонами нет, однако ориентировочное соотношение глубин можно определить в зависимости от размеров и конструкции рабочего органа, а также от физико-механических свойств грунта. Влияние открытой поверхности массива на напряженное состояние грунта полностью исчезает, начиная с определенной глубины, называемой критической, hкр. Величина ее зависит от ширины рабочего органа, b, и свойств грунта. Понятие критической глубины резания и элементы физики процесса даны в работах Е. Динглингера, И. Ратье. Они предложили определять критическую глубину как: , однако, эта зависимость, по результатам исследований Ю. А. Ветрова, не подтвердилась. Ю. А. Ветров для ножей землеройных машин предложил зависимость: и резании песчано-глинистых грунтов, [4]. По результатам исследований бестраншейного дреноукладчика Е. Д. Томин рекомендует определять hкр в зависимости от категории грунта для ножевых рабочих органов: , меньшие значения коэффициента для грунтов первой категории, большие для третьей.

На рисунке представлена схема рабочего органа рыхлителя типа РГ-0,8. Его конструкция и процесс резания грунта существенно отличаются от экскаваторных ковшей и ножевых рабочих органов дреноукладчиков. Упрощенно объемный рыхлитель можно представить как совокупность простых ножевых элементов, установленных определенным образом в пространстве. Горизонтальный нож, осуществляющий отрыв всего объема грунта от массива имеет угол резания . Боковые ножи расположены под улом к горизонту и углом резания .

По агротехническим требованиям подобный рабочий орган должен рыхлить грунт на всю рабочую глубину и с определенной шириной захвата. На основании этого, параметры рыхлителя должны быть определены таким образом, чтобы при работе его на максимальной глубине величина hкр достигала горизонтальной режущей кромки, расположенной на наибольшей глубине рыхления. В этом случае в грунте должны происходить деформации сдвига, скола или отрыва и выпирания в сторону поверхности массива, при этом должно быть обеспечено рыхление в полном объеме.

В настоящее время научно обоснованных рекомендаций по выбору основных параметров объемных рыхлителей практически нет. На основании анализа процесса рыхления и ранее выполненных исследований предлагаются общие рекомендации по выбору некоторых параметров рыхлителей. В первом приближении ширину рабочего органа условно можно представить как сумму проекций его элементов, установленных относительно продольной оси под углом резания , на фронтальную плоскость. На основании этого, используя рекомендации Е.Д. Томина, ширину режущей кромки каждого ножа в продольном направлении можно определить как

,

где h - глубина рыхления.

Расстояние между боковыми ножами L следует выбирать таким образом, чтобы при резании сохранялось взаимовлияние деформации грунта от каждого ножа, при этом рыхление должно происходить в полном объеме. А.Н. Зеленин для двух вертикальных ножей рекомендует зависимость L=(0,5…0,75)h. Боковые ножи рыхлителя установлены под углом к горизонту. В соответствии с этим, расстояние L неодинаково по высоте, оно увеличивается от горизонтальной режущей кромки к поверхности грунта. Поэтому, для сохранения взаимовлияния в первом приближении расстояние между боковыми ножами можно принять на глубине центра тяжести трапеции, образуемой контуром режущих элементов и поверхностью грунта. Величина угла влияет на процесс деформации грунта и величину тягового усилия. С уменьшением угла предположительно до 45о интенсивность смещения грунта вверх и в сторону продольной оси рабочего органа увеличивается, что должно способствовать большей степени рыхления. При дальнейшем уменьшении угла эффективность рыхления должна уменьшиться за счет того, что значительно увеличивается масса грунта между режущими элементами, нормальные составляющие сил резания не могут преодолеть силы тяжести грунта. Кроме этого, увеличение ширины захвата приведет к увеличению тягового усилия. Более точные рекомендации по выбору значений угла и ширины L можно дать на основании экспериментальных исследований. От величины угла резания зависит усилие резания и степень рыхления грунта. На основании экспериментальных исследований автора, угол резания следует принимать в пределах 25…30о для суглинистых грунтов, при этом достигалась достаточная степень рыхления с наименьшими тяговыми усилиями.

При анализе силовых воздействий на рабочий орган рыхлителя можно отдельно рассмотреть каждый режущий элемент его. Суммарное усилие резания Fp можно определить как сумму сил, действующих на горизонтальную режущую кромку Fг и две боковые кромки Fб, то есть Fp=Fг+2ш. Усилие, действующее на горизонтальный нож рыхлителя, можно разложить на две составляющие: нормальную Fn, действующую перпендикулярно плоскости ножа, и силу трения Ff, направленную вдоль плоскости ножа. рыхлитель режущий физика

Схема рабочего органа объемного рыхлителя

Нормальную силу Fn можно определить как равнодействующую контактных давлений на плоскость горизонтального ножа в зоне сдвига. Сила трения Ff = Fn f, где f коэффициент трения грунта о сталь. Усилие, действующее на боковой нож Fб также можно разложить на нормальную составляющую и силу трения. Боковые ножи расположены под углом к горизонту. Нормальную силу можно разложить на составляющие, действующие: вертикально Fв = Fn /cos и вверх вдоль ножа Ffбв = Fn tg, таким образом можно найти суммарную силу трения бокового ножа: .

Вертикальные составляющие усилий, действующие на элементы рабочего органа способствуют подъему и рыхлению грунта. При этом, соотношение этих усилий и массы грунта, расположенного над рыхлителем, а также влажность грунта, оказывают влияние на эффективность рыхления, что несомненно требует экспериментального подтверждения. Силы трения оказывают влияние на тяговое усилие.

Библиографический список

1. Кизяев Б.М., Маммаев З.М. Культуртехнические мелиорации: технологии и машины. М.: Ассоциация Экост, 2003.

2. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968.

3. Томин Е.Д. Бестраншейное строительство закрытого дренажа. М.: Колос, 1981.

4. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М.: Машиностроение, 1971.

Размещено на Allbest.ru