Д.т.н., профессор Гайфуллин Г.З.
КФ ТОО «КазНИИМЭСХ», Казахстан
магистрант Амантаев М.А.
Костанайский
государственный университет им. А.Байтурсынова, Казахстан
Определение направления сил
сопротивления почвы, действующих на вертикальный косоустановленный клин
Взаимодействие
с почвой классических двух- и трехгранных клиньев с острым углом установки
рабочей поверхности ко дну борозды изучено достаточно полно. За пределами
внимания исследователей остались вертикальные косоустановленные клинья. Процесс
их взаимодействия с почвой во многом отличается от классических клиньев. В
частности, на поверхности вертикального клина формируется искусственный клин из
почвы, который и выполняет работу по рыхлению почвенного пласта. Параметры
почвенного клина зависят от физико-механических свойств обрабатываемой почвы,
угла установки вертикального клина к направлению движения. Технологический
процесс взаимодействия с почвой многих ротационных почвообрабатывающих машин происходит
по типу косоустановленного вертикального клина. Однако, отсутствие знаний по
протеканию технологического процесса, величине и направлению действующих сил, затрудняет
дальнейшее совершенствование рабочих органов для обработки почвы.
Вертикальный
косоустановленный клин представляет собой прямоугольную горизонтальную пластину
с высотой h,
длиной l и толщиной B,
рисунок 1.
Для исследования
клина выбрана подвижная прямоугольная система координат OXYZ. Клин
в выбранной системе координат представлен на рисунке 2. Подвижная система
координат движется вместе с клином с заданной, поступательной скоростью.
Рисунок
1 – Схема рабочего органа – вертикального косоустановленного клина.
Рисунок
2 – Вертикальный косоустановленный клин в системе координат OXYZ
Система
координат OXYZ
расположена таким образом, что ось OX
совпадает с направлением движения клина, OZ направлена вертикально. Рабочая поверхность F
клина перпендикулярна к плоскости XOY и
отклонена от направления движения на угол α, рисунок 2.
В
процессе движения клина в почве, на него действует сила P, продольная
составляющая которой равна PX, а
боковая – PY, рисунок 3, б. Из рисунка видно, что векторы
Р, PX и PY
образуют прямоугольный треугольник, из которого
.
(1)
Таким
образом, угол отклонения β вектора результирующей силы Р
сопротивления почвы, действующей на клин, от направления движения V
равен
(2)
На
рисунке 3 представлены схемы действия сил PX и PY при
различных углах α. Из них видно, что при α = 90 град. и α = 0
град., рисунок 4.а и 4.в, боковая составляющая – PY
будет достигать минимального значения, т.е. PY = 0.
Угол отклонения β при выше названных величинах угла α будет
минимальным.
Рисунок
3 – Схемы сил, действующие на клин, для определения угла отклонения β
Для определения продольной Rx и боковой Ry составляющих сил сопротивления почвы, действующих на клин, были проведены экспериментальные исследования. Исследования проводились на паровых полях на лабораторно-полевой установке. Влажность почвы составляла в слое 0-5 см – 11,5%, 5-10 см – 15,7%, 10-15 см – 19,8%, твердость почвы по слоям была равна соответственно – 0,92, 1,71, 2,08 МПа. Средняя глубина хода клина составляла около 8 см. Скорость движения около 5 км/ч.
Зависимости составляющих сил сопротивления почвы, действующих на клин, от угла a представлены на рисунке 5. Из графиков видно, что тяговое сопротивление RX и поперечная сила RY с увеличением угла a от 5 до 45 град. возрастают в 1,2…1,3 и 4,7…5,0 раза соответственно, причем, если RX увеличивается по линейной зависимости, то RY – по степенной. В дальнейшем увеличением угла a с 50 до 60 град. наблюдается резкое увеличение тягового сопротивления RX по линейной зависимости в 1,3…1,4 раза, а сила RY незначительно уменьшается в 1,0…1,1 раза. С ростом угла a с 60 до 90 град. тяговое сопротивление RX возрастает в 1,0…1,1 раза также по линейной зависимости, а поперечная сила RY снижается в 4,6…5,0 раза по степенной зависимости.
По
результатам проведенных экспериментальных исследований построена зависимость
угла β, характеризующей отклонение вектора результирующей силы P сопротивления почвы от
направления движения V, от угла α, который представлен в виде
графика на рисунке 6.
1 – продольная сила сопротивления почвы RX , действующая на клин;
2 – поперечная сила сопротивления почвы RY , действующая на клин.
Рисунок 5 – Зависимости сил RX и RY от угла α
1 – β=f(α).
Рисунок 6 –
Зависимость угла β от угла установки клина к направлению движения α
Из графика видно, что с
увеличением угла α от 5 до 40 градусов угол β возрастает от 2 до 9
градусов, так как увеличивается боковая сила PY, действующая на клин. Наибольшее
значение угол β приобретает при a равном 40 град. Дальнейшее увеличение угла α от 40 до 90
градусов приводит к снижению угла β от 9 до 0,5 градусов. Это объясняется
тем, что при дальнейшем увеличении угла α уменьшается боковая сила PY, действующая на клин. Когда α равен 90
град. или 0 град., угол β принимает нулевое значение, так как при выше
названных значениях угла α боковая сила PY
равна нулю.
Таким
образом, в результате выполненных экспериментальных исследований установлены зависимости составляющих сил
сопротивления почвы, действующих на вертикальный клин, от угла его установки к
направлению движения a. Выявлена зависимость угла β, характеризующего
отклонение результирующей силы Р
сопротивления почвы от направления движения V, от угла α. Максимальное значение β
обеспечивается при угле α=40 град.