Автор: Данатаров Агахан

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №8 (19) август 2010 г.

Библиографическое описание:

Данатаров А. Кротование грунтов пассивными рабочими органами // Молодой ученый. — 2010. — №8. Т. 1. — С. 56-58.

Хорошая аэрация является необходимым условиям поддержания биологической активности почвы, кроме того, аэрация определяет корневое дыхание. Почвенный воздух, представляя собой газовую фазу почвы, принимает активное участие в почвенных процессах. Бесструктурной уплотненной почве антогонизм между водой и воздухом выражен особенно резко. Помимо структуры на содержание воздуха в почве влияет и плотность ее сложения, чем более уплотнена почва, тем меньше в ней воздуха; рыхление, естественно, усиливает аэрацию. Сельскохозяйственная культура (схк) рядом воздействий, ведущий к разрыхлению или уплотнению почвы, к созданию структуры сильно влияет на снабжение почвы воздухом. Важным моментом, влияющим на аэрацию почв является водопроницаемость слоев почвенного профиля [4].

Основное назначение аэрационного дренажа (АД) – улучшения водно-воздушного, солевого и теплового режимов тяжелых почвогрунтов с целью повышения плодородия и урожайности схк. Технология устройства АД должна призвана для обеспечения эффективности и долговечности его работы. Но до настоящего времени такой дренаж применялся и изучался лишь в зоне осушения в качестве кротового дренажа (КД), т.е. для отвода излишних вод. Влияние его на почвенные процессы в аридной зоне пока не исследовано, хотя важность проведение таких исследований диктуется насущными потребностями с/х производства. Кротование грунтов сопровождается рыхлением верхнего растительного слоя и формированием полости торпедоподобным пассивным рабочим органом. Основным типом рабочего оборудования для нарезки дрен является плоский нож с установленным в основании наконечником различной формы.

Применение КД обусловлено двумя причинами: отсутствие экономичного и удобного подвижного источника мощности, приводящего в движение плуг; ограниченная возможность контролирования плуга в работе. Принцип КД заключается в следующем. Тонкий лемех с имеющимся на его основании специальным устройством, формует при движении лемеха устойчивый туннель. Это достигается за счет использования торпедообразного расширителя. Формирование кротовин происходит в процессе блокированного резания массива грунта. По теории Ю.А. Ветрова [3] процесс разрушения грунта возможно рассматривать как блокированное, полублокированное или свободное резание в зависимости от условий резания. При этом разрушение грунта рассматривается как сложный процесс, при котором происходит смещение частиц в сторону дневной поверхности – докритическая глубина резания и вдавливание частиц в стенки монолита грунта – критическая глубина резания.

Установлено, что резание грунта на глубине 30-40 см /докритической/, т.е. с отделением стружки, энергетически более эффективно [8], чем при критической глубине резания. Характер разрушения грунта ножевыми рабочими органами определяется изменением параметров зоны пластической деформации перед лобовой поверхностью ножа [3]. Шемякин Е.И. [7] отмечает две зоны разрушения перед рабочим органом: первая зона примыкает к рабочей поверхности наконечника и характеризуется разрушением за счет раздавливания /снятие и переизмельчение грунта/, вторая – зона трещинообразования /объем между первой зоной и цементом/.

            Буравцев В.Н. [5] и Томин Е.Д. [8] характеризуют два типа ядра уплотнения. Первое – ядро в виде нароста перемещается совместно с рабочим органом. Ядро вторичного типа перемещается по поверхности рабочего органа, уплотняя вытесняющий грунт вплоть до его разрушения. Ветров Ю.А. определил параметры прорези в зависимости от свойств грунта [3]. Установлено, что при блокированном резании прорезь имеет трапецеидальное сечение. Ровенский М.И. и Телушкин В.Л. установили зависимость параметров прорези от параметров  рабочего органа [6]. Многочисленными исследованиями определен оптимальный угол резания рабочих органов пассивного действия, который находится в пределе от 30 до 350  [7].

С целью снижения сопротивления резанию рабочие органы рыхлителей и дреноукладчиков выполняют с траекторносмещенными элементами [8]. Выполнение режущих кромок зубьев смещенными относительно друг-друга в направлении, обратном движению, позволяет по сравнению с традиционным сплошным ножом в 2 раза уменьшить уплотнение грунта околощелевой зоны. При этом удельное сопротивление резанию составляет минимальное значение. Теоретический анализ работы рабочих органов со смещенными режущими элементами представлен в работах Баловнева В.И. [2] и Хмары Л.А. [6].

            Для улучшения загрузки базовой машины в рыхлителях монтируют опережающие боковые зубья, максимальное заглубление которых меньше, чем среднего зуба /5/. Однако, в силу того, что рабочие органы буксируются одновременно к существенному силы тяги, расстановка режущих элементов по данной схеме не приводит. Весьма интересным является направление  исследований по снижению тяговых условий на основе разработки новых способов формирования земляных дрен, что наряду с увеличением производительности позволяет значительно улучшить функционирование дрен по сравнению традиционными.

Снижение энергоемкости возможно достичь при образовании боковых борозд на 0,3 м глубины основного рыхления. Авторы не предложили аналитического решения, что затрудняет определить оптимальные параметры рабочего оборудования. БаладинскимВ.Л.  установлено, что при рыхлении-кротовании влияние скорости резания при определении силы резания может не учитываться [1]. Основные положения теории резания грунтов изложены в работах Баловнева В.И., Ветрова Ю.А., Горячкина В.П., Долина А.Л., Домбровского Н.Г., Зеленина А.Н., Федорова Д.И., Турецкого Р.Л. и др. [2,3,5,6,9].

Рассмотрим аналитические и эмпирические решения данных положений  на предмет исследования для разработки оборудования по устройству АД. При этом следует учитывать два основных подхода к выбору решения: во-первых, возможность максимального разрыхления почвы рабочим органом с целью возможности аккумуляции влаги в пахотном горизонте; во-вторых, обеспечение устойчивости работы КД без существенного снижения коэффициента фильтрации придренной части грунта с целью быстрого сброса излишка грунтовых и поверхностных сточных вод в период вегетации растений. Баловнев В.И. [2] взаимодействие рабочего органа со средой сопротивления представляет в виде суммы:         P = P1 + P2 + P3 +P4                                                          /1/

где: P1 – сопротивление, обусловленное проявлением массовых сил, величина которых пропорциональна кубу линейного размера системы; P2 - сопротивление, обусловленное действием поверхностных сил, величина которых характеризуется предельными значениями сцепления, сдвига, отрыва и пропорциональна квадрату  линейных размеров системы; P - сопротивление, являющееся результатом действия сил пропорциональных единице длины и действующее в области лезвия и площадки износа; P4  - силы, приложенные к системе сосредоточенно, например, сопротивление отдельных включений.

            Определение сил сопротивления обусловлено разработкой эмпирических зависимостей на основе испытаний моделей разной величины в грунтах естественного залегания. На основе экспериментальных исследований получаем систему уравнений:

Р + Р + Р = Рм; Р k3 l1+ Р k2 l1+ Р k l1 = Р1м; Р k3 l2+ Р k2 l2+ Р k l3 = Р11м   /2/

где: k l1 - k l2 – максимальные коэффициенты.

Рассчитав величины Р , Р , Р , можно определить сопротивление натурному образцу                               Рм = Р k3 l+ Р k2 l+ Р k l                                                    /3/

Весьма эффективный способ расчета сил резания предложен Ветровым Ю.А. [3]. Метод Ветрова Ю.А. основан на процессе энергоемкости резания в центральной и боковой частях прорези. Среднемаксимальная сила резания определяется по зависимости:

                                              Рm = Рсв+ Рбок+ Рбок.ср                                                            /4/

где: Рсв= рсв Fсв ; Рбок= рбок Fбок ; Рбок.св= рбок.св hбок.св; Рm – среднемаксимальная сила резания; Рсв, Рбок - удельные силы разрушения грунта, соответственно, в лобовой части и боковых расширениях прорези, н/см2; Fбок ; Рбок – площади лобовой и боковой части поперечного сечения прорези, см2; рбок.св – удельная сила среза грунта боковыми ребрами ножа, н/см2;  hбок.св – суммарная длина бокового среза грунта, см.          Fсв = BH                                   /5/

где: B – ширина среза, см; H – глубина среза, см.

Сила блокированного резания грунта простым острым ножом определяется по зависимости:         Рm = mсв BH + 2mбок Н2 + 2mбок.ср Н                                                     /6/

где: mсв, mбок, mбокср – опытные коэффициенты;  – коэффициент, зависящий от угла резания.

При резания по полусвободной схеме, второй и третьей члены зависимости /В/ уменьшаются вдвое, а при свободном резании остается только первая составляющая. Опытные коэффициенты определяются в результате испытаний, некоторые из которых приведены в таблице.                                                                                                Таблица.

Значение коэффициентов для различных типов грунтов

Тип грунта

mсв

kэ

Суглинок коричневый

9,7

0,78

0,82

Тяжелый суглинок коричневый, влажный

5,4

0,66

0,8

Глина коричневая, влажная

3,1

0,66

0,90-0,94

Серо-зеленая мергелистая глина

17,4

0,78

0,82

Аргелит

6,4

0,78

-

            Расчет сил резания сложными ножами определяется по зависимости:

Рm = Рсв бок  бок.ср i+            /7/

где:    – частное площади и длины линий среза.

Предложенные зависимости по данным Баловнева В.И. [2] дают большую сходимость с экспериментальными данными. Среднее значение силы резания определяется по формуле:                   Рср = kэ Pm                                                               /8/

где: kэ = Рср / Pm – коэффициент энергоемкости.

Для определения численных значений силы резания Зеленин А.Н. [5] предложил использовать следующую зависимость:

                                         Р = Сh1,35 (1+0,1В)(1 -  β                                                    /9/

где: С–коэффициент, численно равный количеству ударов плотномера ДорНИИ для данного грунта; h–глубина резания; α–угол резания; В-ширина профиля; β-коэффициент, учитывающий угол заострения профиля.

Структура этой формулы соответствует увеличению силы резания с увеличением глубины [5]. Многими учеными предпринимаются попытки разработки аналитической теории резания грунта. Одно из основных направлений основывается на положениях теории предельного равновесия грунтов, связанных с определением пассивного давления грунта на подпорные стенки. Критерием равновесия в этой теории служит известный закон Кулона-Мора:                           =  𝛔ntg + Cw                                                      /10/

где:  – касательное напряжение в рассматриваемой точке сыпучей среды; - нормальное напряжение;  - уголь внутреннего трения; Cw – коэффициент сцепления.

Однако, применение аналитических зависимостей в практических расчетах весьма ограничено. Они используются либо для ориентировочных расчетов[3], либо для оценки перспективных моделей рабочих органов машин. Использование аналитических зависимостей затруднено в первую очередь сложностью определения характеристик грунта и громоздкостью расчетов [2].

Таким образом, разработка методов инженерных расчетов может базироваться на интегральных показателях свойств. При этом наиболее приемлемым способом определения сил резания является метод физического моделирование [6].  

 

Литература:

1. Баладинский В.Л. Динамические разрушение грунтов. –К.: КГУ, 1971. -146с.

2. Баловнев В.И. и др. Эффективное рыхлительное оборудование. //Механизация строительства. -1982. -№5. –с.- 20-21.

3. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами.–М.:Машиностр.1971.-360с.

4. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. Издательство. Высшая школа. Москва. 1968. 289с.

5. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов Н.П. Машины для земляных работ. –М.: Машиностроение. 1975. -с.72-98

6. Данатаров А. Технология нарезки аэрационного дренажа и эффективность его работы в условиях аридной зоны. Дис. к.т.н. Киев. -1994. с.4-217.

7. Шемякин Е.И. К изучению механики разрушения прочных горных пород ударными нагрузками. //Вопросы механизма разрушения горных пород. –Новосибирск: 1976. с.3-14.

8. Томин Е.Д. Бестраншейное строительство закрытого дренажа. –М.:Колос. 1981. -118с.

9.Турецкий Р.Л. Резание мелиорируемых грунтов и интенсификация рабочих процессов машин для осушения и освоения земель Нечерноземной зоны: А/р.дис.д.т.н. Минск.-1981.

 

Основные термины: разрушения грунта, блокированного резания, рабочими органами, глубина резания, резания массива грунта, сил резания, сила резания, рабочим органом, блокированного резания грунта, среза грунта, критическая глубина резания, докритическая глубина резания, критической глубине резания, определения сил резания, резания рабочих органов, Среднемаксимальная сила резания, теории резания грунтов, расчета сил резания, определении силы резания, условий резания

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle