Основы расчета тягового усилия объемного рыхлителя

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЯГОВОГО УСИЛИЯ ОБЪЕМНОГО РЫХЛИТЕЛЯ

Предложен метод расчета тягового усилия при глубоком рыхлении тяжелых почв объёмным рабочим органом. В расчёте учитываются основные факторы процесса рыхления: резание грунта, трение, преодоление силы тяжести, сил инерции, перемещение массы грунта.

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. Более подробно изучены процессы резания ножевыми рабочими органами и режущими периметрами экскаваторных ковшей. Формулы для расчета усилий резания элементарными профилями, рекомендуемые А. Н. Зелениным, имеют эмпирический характер, [2], и не учитывают факторы, влияющие на процесс рыхления. Как показали экспериментальные исследования, усилий резания объемным рыхлителем, выполненные авторами, полученные значения отличаются от расчетных по А. Н. Зеленину. Различие результатов более заметно 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. Влияние открытой поверхности массива на напряженное состояние грунта постепенно уменьшается по мере увеличения глубины.

На рисунке 1 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, в дальнейшем — лемех, осуществляющий отрыв всего объема грунта от массива, имеет угол резания. Боковые ножи, стойки, расположены под улом друг к другу, с углом резания в.

По агротехническим требованиям подобный рабочий орган должен рыхлить грунт на всю рабочую глубину и с определенной шириной захвата. При этом в грунте должны происходить деформации сдвига, скола или отрыва и выпирания в сторону поверхности массива, а также должно быть обеспечено рыхление в полном объеме.

Процесс рыхления можно представить в виде последовательности воздействия элементов рыхлителя на грунт. Лемех, выдвинутый вперёд относительно боковых стоек, при поступательном движении образует лидирующую зону разрушения массива. Боковые стойки, установленные с небольшим уклоном назад относительно вертикали, постепенно входят в процесс разрушения, начиная с глубины, с места присоединения к лемеху. К моменту входа боковых стоек в процесс резания, грунт, отделённый лемехом движется вверх по поверхности лемеха, поднимаясь на некоторую высоту, боковые стойки, отделяя грунт от массива, перемещают его к оси рабочего органа и вверх. Подъём и перемещение грунта вверх и вперёд происходит за счёт углов резания лемеха и стоек, рис. 1.

Силу сопротивления рыхлению можно представить как сумму основных составляющих. Наибольшую величину составляет усилие резания F_p, другие сопротивления также имеют значение, это: силы трения грунта по стали F_тр1, внутреннего трения грунта F_тр2, сопротивление по преодолению веса грунта F_п, на перемещение грунта в горизонтальном направлении F_гр, преодоление сил инерции массы грунта F_ин.

.

Сила резания F_p складывается из сил резания лемеха F_рл и боковых стоек F_pст

.

Каждая из этих составляющих на поверхности режущих элементов раскладывается на силу перпендикулярную плоскости элемента F_н, и силу, действующую вдоль плоскости. Сила, действующая вдоль плоскости, является силой трения F_тр, и может быть определена как, где f — коэффициент трения грунта по стали. Нормальные силы F_н способствуют подъёму и перемещению грунта. При подъёме деформируемого объёма грунта нормальные силы преодолевают вес слоя грунта, причём, верхняя часть имеет большую ширину и меньшую плотность, а нижняя часть слоя — меньшей шириной, но большей плотностью. Таким образом, масса перемещаемого и разрыхляемого грунта по мере увеличения глубины уменьшается, а плотность увеличивается, рис. 2.

Рис. 2 Схема к расчёту усилий

Усилие резания лемехом F_рл можно определить как сумму горизонтальных составляющих от равнодействующей контактных давлений N_л и силы трения F_трл

.

где N_л — равнодействующая нормальных контактных давлений, действующих в зоне наибольшей плотности грунта.

.

где у₂ — нормальные контактные давления на поверхности лемеха, А площадь рабочей поверхности лемеха.

Сила трения грунта о лемех F_трл=N_лf, где f — коэффициент трения грунта по стали, f = 0,65…0,2, уменьшаясь с увеличением нормальных от 0,1 до 0,8 МПа.

Усилие резания боковой стойкой определяется так же, как и для лемеха.

.

Равнодействующая контактных давлений в этом случае определяется как.

.

где у_1ср — среднее нормальное давления на поверхность стойки, которое можно определить по центру треугольника эпюры давления, так как на поверхности у = 0, с увеличением глубины давление увеличивается, и на глубине установки лемеха становится равным у₂, А_ст площадь рабочей поверхности стойки.

Нормальные контактные давления можно определить с достаточной точностью по формуле, предложенной Н. Н. Масловым, [5]. Эта формула наиболее полно учитывает влияние физического состояния грунта и его механических свойств на разрушающее воздействие.

где h_i — глубина центра тяжести деформируемого слоя грунта; с — средняя плотность грунта; ц — угол внутреннего трения грунта; с₀ — общее сцепление грунта; b — ширина ножа, g = 9,81 м/с².

Экспериментальные исследования авторов позволили в первом приближении определить объём деформируемого грунта перед рабочим органом. При рыхлении перед рабочим органом образуется определённая область деформируемого грунта, которая распространяется впереди на расстояние несколько большем, чем глубина рыхления Н, наибольшая высота слоя возле рабочего органа (0,25…0,3)H, по мере удаления от рабочего органа эта высота уменьшается. Полагая, что деформация распространяется от лемеха вперёд и вверх, можно представить объём перемещаемого грунта V_г в виде пирамиды неправильной формы.

Сопротивление от силы тяжести поднимаемого грунта F_п, Н рыхлитель почва рабочий орган.

.

где V_г — объём поднимаемого грунта, м³;

г_г — объёмный вес, т/м³.

Сопротивление перемещению грунта F_гр, Н.

.

где м — коэффициент трения грунта по грунту, м = 0,3…0,5.

Сопротивление трения грунта по грунту F_тр2, Н.

.

где, ц_г — угол трения грунта, для глины ц_г = 14…19^о, x = 0,24…0,31, для суглинка ц_г = 24…30^о, x = 0,37…0,44, [6].

Сопротивление от сил инерции F_ин, Н где m — масса перемещаемого грунта; с — плотность грунта, т/м³; а — ускорение, м/с².

Нормальную силу F_n можно определить как равнодействующую контактных давлений на плоскость горизонтального ножа в зоне сдвига. Сила трения F_f = F_n f, где f — коэффициент трения грунта о сталь. Усилие, действующее на боковой нож F_б также можно разложить на нормальную составляющую и силу трения. Боковые ножи расположены под углом к горизонту. Нормальную силу можно разложить на составляющие, действующие:

вертикально F_в = F_n/cos;

вверх вдоль ножа F_fбв = F_n tg;

таким образом можно найти суммарную силу трения бокового ножа .

Выводы

• 1. 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.
• 2. Величина деформируемого объёма грунта зависит от параметров рабочего органа рыхлителя, однако это требует дополнительных исследований.
• 3. Предложенный метод расчёта тягового усилия достаточно полно учитывает основные факторы процесса рыхления грунта.

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.
• 5. Маслов Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968.
• 6. Алексеева Т. В., Артемьев К. А., Бромберг А. А. и др. Дорожные машины. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1972. Ч. 1. 504 с.