Определение сопротивления движению дренера в грунте

Основным технологическим процессом, связанным прокладкой кротового увлажнителя является резание грунта рабочими органами кротователя. Нож разрезает грунт на установленную глубину и одновременно тянет за собой дренер и уширитель /2,3,4/.

Движение дренера сопровождается скалыванием грунта в сторону наименьшего сопротивления. На величину скаливания оказывают влияние, прежде всего, геометрические параметры клинообразного дренера, которыми являются: угол заточки; диаметр; длина цилиндрической части; задний угол.

Диаметр дренера является технологическим параметром и величина его рекомендуется 50-60 мм. К.А. Пилкаускас и другие авторы установили, что изменение заднего угла не оказывает существенного влияние на величину сопротивлению движению. Задний угол дренера обеспечивает плавную без резких переходов упругую отдачу грунта. Стенки дрены были более гладкими при величине заднего угла 30⁰.

Одним из факторов, влияющих на сопротивление движению и устойчивость кротовин, является длина цилиндирической части дренера. Исследования, проведенные К.А. Пилкаускасом /7/ и других, показали, что с увеличением длины цилиндрической части от 100 до 500 мм улучшается качество дрены и движение дренера более устойчиво, а сопротивление движению увеличивается на 20%. Он рекомендует длину цилиндрической части дренера 200 мм /2/.

Общее усилие резания дренером и его состовляющие на разной глубине мы не исследовали, т.к. глубина закладки кротовых увлажнителей определена многими исследователями и должна находится в пределах 50-55 см до дна кротовины у зависимости от условий закладки.

Перечисленные исследования определяли оптимальные параметры дренера дренажных и дренажно-кротовых машин, беря за критерий в основном, минимальное тяговое сопротивление. Между тем, увеличение прочности, а следовательно, и срока службы кротовины, улучшение ее мелиоративных показателей в ряде случаев полностью компенсируют некоторое увеличение тягового сопротивления.

Исследования дренера по вопросу определения влияния угла заточки дренера на величину и направление составляющих тягового сопротивления проводилась в лабороторных (почвенный канал ЮжНИИГиМа) и полевых условиях (ОПХРООМСа). Был применен метод “НАТИ” позволяющий определить горизонтальную (Р_д^г) и вертикальную (Р_д^в) составляющие усилия резания почвы рабочими органами кротователя, основанный на использовании специально изготовленных тензометрических пальцев.

Для исследований были изготовлены дренеры с углами заточки 17⁰, 20⁰, 23⁰, 27⁰, 30⁰, 33⁰. Материал дренеров сталь-3. Остальные параметры клинообразных дренеров: диаметр -60 мм, длина цилиндрической части 150 мм, задний угол -30⁰, были приняты с учетом результатов выше перечисленных исследований. Почва грунтового канала по мехсоставу (по Н.А. Качинскому) относилась к легкоглинистой со средним значением удельного веса 2,78, объемного веса -1,29 г/см³. В полевых условиях почвы представлены предкавказскими черноземами тяжело-суглинистого (близко к легкосуглинистым)  механического состава с объемным весом -2,64 г/см³. Влажность почвы было 22,1 % от веса сухой почвы. Измерения проводились при скорости движения тележки 1,7 км/час в лабораторных условиях и 4 км/час  в полевых.

Минимальную величину горизонтальной составляющей имеет дренер с углом заточки -27⁰, т.е. с уменьшением или увеличением угла заточки против  -27⁰ горизонтальная составляющая увеличится. Увеличение горизонтальной составляющей сопротивления почвы при увеличении угла заточки дренера от 27⁰ до 33⁰ наших опытах, связано с началом образования уплотненного ядра почвы перед клином. К.А. Пилкаускас тоже отмечал подобное явление, что клинообразного дренера с углом заточки 25⁰ начинает образовываться уплотненное ядро, которое окончательно формируется при угле заточки -60⁰.

При изменении угла заточки дренера изменяется величина вертикальной (Р_д^в) составляющей сопротивления почвы резанию. Вертикальная (Р_д^в) составляющая при углах заточки клинообразного дренера 17-33⁰ направлена вниз (является заглубляющей) и при уменьшении угла увеличивается от 127 до 255 кг в наших опытах.

Таким образом, на сегодняшний день ученый Гришков Э.В. в полной мере установил /2/, для обеспечения устойчивого хода кротователя, повышения долговечности кротовин при минимально возможных значениях тягового сопротивления, необходимо применять дренер клинообразной формы с углом заточки 17-20⁰, с длиной цилиндрической части порядка 150-200, диаметром 60 мм.

Исходя вышеизложенного или принимая оптимальных параметров, определение сопротивления движению дренера определяем на основе динамометрирования. Однако, для аридной зоны в качестве рабочих органов были применены усеченные дренеры на шарнирной тяге с ножом со ступенчато установленными ножами.

В работе применялись разные методы лабораторных (почвенный канал ТуркменНИИГиМа) рис.1. и полевых (Каракумский район Марыйский область) исследований. Установление оптимальных параметров рабочего оборудования и конструкции дрен производились в грунтовом канале (длиной 42м), оснащенном оборудованием для исследования процессов резания грунта кротодренажными рабочими органами. Оборудование включает динамометрический стенд, установленный на передвижной тележке. Силы резания определялись по деформациям двух тензометрических балок. На каждую тензометрическую балку было наклеено по четыре датчика, выполняющих функции рабочих и компенсационных датчиков, что позволило регистрировать только разность напряжений на базовом участке балочки, заключенной между собой датчиками (5,6).

Рис. 1. Конструктивная схема грунтового канала и кротовательной установки

1-железобетонная емкость; 2-рельсовая колея; 3-передвижная тележка; 4-кротователь-рыхлитель; 5-тяговая лебедка; 6-трос; 7-глинистый почвогрунт; 8-динамометр; 9-двигатель тяговой лебедки; 10-коробка скоростей; 11-редуктор; 12-барабан.

Рис.2. Кинематическая схема динамометрического стенда

Динамометрическая тележка /1/ включает вертикальные направляющие, в которых перемещается суппорт /3/. На суппорте закреплены горизонтальная /4/ и вертикальная /5/ тензометрические балки, к которым посредством серьги /6/ и хомутов /7/ подвешен узел крепления ножей /8/, на котором установлен нож /9/. Силы резания определяются по деформациям двух тензометрических балок. На каждую тензометрическую балку было наклеено по четыре датчика, выполняющих функции рабочих и компенсационных датчиков.

Дренеры имели заточки = 30⁰ , длину цилиндрической части 200 мм и диаметр 30, 40, 50, 60 мм. Опыты с дренерами были проведены на трех глубинах: 50;  60; 70 мм.

 

Рис. 3. Схема наклейки и соединения тензометрических датчикой в измерительные мосты

Для сравнения результатов опытных и полевых данных определили редуцированную силу резания Р путем деления фактически действующей силы  на показание динамического плотномера –c.

                                                  P =                                                                /1/

Среднее значение редуцированной силы получено как среднее арифметическое всех редуцированных сил.

Рис. 4. Устройство для рыхления-кротования почвы

1-вертикальный нож; 2-разрыхляющий зуб; 3-щелеразрезающий зуб; 4-крепление шарнирное; 5-кротователи.

В лагорифмических координатах точки опытных данных располагаются на прямых. Кривые лагорифмических координатах имеют вид:

 =  n +                                               /2/

горизонтальной составляющей общей силы резания и

 = m +                                              /3/

для вертикальной составляющей. На координатной сетке равномерных шкал эти уравнения имеют вид показателей функции

P_h=  Adⁿ                                                            /4/

P_V=  Bd^m                                                                                   /5/           

Коэффициенти A, n, B, m имеют следующие значения:

A = 1,06; n = 2,6; B = 4,1; m = 1,96.

Таким образом, формулы /4/ и /5/ можно записать в виде:

                                P_h=  1,06d^2,6                                                           /6/

                                 P_V=  4,1d^1,96                                                            /7/

P_h и P_V– выражаются в килограммах; d - в сантиметрах.

Горизонтальные составляющие силы резания вместе с силой резания грунта ножом представлено на рис. 5.

На рис. 5. кривые 1^\,2^\, 3^\ горизонтальной составляющей силы резания построены с приемами I, II, III горизонтальной силы, действующей на нож. Анализ кривых показывает, что с увеличением глубины дренирования, сила резания ножом увеличивается, при этом в начало каждой кривой 1^\, 2^\, 3^\ также повышается по оси ординат.

Сравнение кривых 1^\,2^\, 3^\ на рисунках 5 и 7 показывает, что изменение горизонтальной составляющей силы резания и вертикальной имеют одинаковый характер, т.е. графики практически совпадают о том, что на характер изменения горизонтальной и вертикальной составляющей силы резания имеет влияние поверхность грунта.

Исходя из этого, что на минеральных грунтах применяют диаметром 40, 60 мм, глубиной закладки 60 см, то для определения горизонтальной и вертикальной составляющей реактивной силы ножом пользоваться опытными данными, представленными на рис 5,6,7,8.

Изменение  горизонтальные составляющие силы резания от диаметра представлено на рис. 6. Характер изменения вертикальной составляющие силы резания от диаметра представлено на рис. 7.

Вертикальная и горизонтальная силы резания имеют вид показательной функции. Следует отметить, что с увеличением диаметра дренера  горизонтальная составляющая силы резания возрастает более интенсивно чем суммарная сила, а вертикальная составляющая в меньшей степени, что указывает на то, что угол отклонения суммарной силы от горизонтали уменьшается с увеличением диаметра дренера. Данное влияние объясняется изменением величины силы трения на косой поверхности дренера, т.е. с увеличением диаметра дренера увеличивается площадь косой поверхности, а, следовательно, и возрастает более интенсивно сила трения, т.к. показатель степени более единицы. Сопоставление значений P_h и P_V, полученных в результате опытов и подсчитанных по формулам /6/ и /7/ сведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Значения горизонтальной составляющей силы резания

Диаметр дренера, см	Рh, кг опытное	Рh, кг по формуле	Отклонение
3	79,8	88,2	8,4	10,5	110,25
4	151	156,8	5,8	3,8	14,44
5	230,8	245	14,2	6,15	37,83
6	336	352,8	16,8	5	25

Таблица 2.

Значения вертикальной составляющей силы резания

Диаметр дренера, см	РV, кг опытное	РV, кг по формуле	Отклонение
3	34	38,9	4,9	14	196
4	60	69,6	9,6	16	256
5	105	111,8	6,8	6	36
6	155	166.2	11,2	7	49

Рис. 5. Горизонтальная составляющая силы резания

Рис. 6. Изменение горизонтальной составляющей силы резания от длины и диаметра дренера 1-при глубине 50 см; 2-при глубине 60 см; 3-при глубине 70 см.

Зависимость силы сопротивления перемещения дренера от его диаметра представлено на рис. 8.

Общую силу резания Р, действующую на дренер под некоторым углом , находим имея горизонтальную- Р_h, и вертикальную - Р_V составляющие. Графически это показано на рис 7 и 11.

Рис. 7. Зависимость вертикальной силы резания от диаметра 1-при глубине 50 см; 2-при глубине 60 см; 3-при глубине 70 см.

Рис. 8. Зависимость силы сопротивления от диаметра

 

Рис. 9. Зависимость горизонтальной составляющей силы резания от диаметра на логарифмической координатной сетке

Рис.10. Зависимость вертикальной составляющей силы резания от диаметра на логарифмической координатной сетке

Рис.11. Зависимость общей силы резания от диаметра на логарифмической координатной сетке

Из рис. 11. видно, что с увеличением диаметра дренера сила резания возрастает также по кривой вида:

                                              P = kd^a                                                  /8/

Показатель а - определен средним арифметическим методом и имеет значение: a = 2,06. Если величину показателя степени принять равным d = 2, то коэффициент k - получается равным:  k =  4,9.

Тогда уравнение суммарной силы получает вид:        P  = 4,9d²         /9/

Как видно из таблицы 3 отклонение расчетной силы Р от опытной находятся в допустимых пределах.

 Таблицы 3

Расчетные и опытные значения силы резания

Диаметр дренера, см	РV, кг опытное	РV, кг по формуле	Отклонение
3	83	78,4	-4,6	8,8	77,44
4	135	122,5	+12,5	8,0	64,00
5	190,8	176,4	+14,4	8,2	67,20
6	266	240,1	-25,9	10,7	114,49

 

Зависимость Р свидетельствует о том, что сила резания дренером прямо пропорциональна поперечному сечению дренера.

Исходя из этого,  получим:                                    P = k^\F                     /10/                                        

где: F-поперечное сечение дренера; k^\ - удельное сопротивление резания.

Рис. 12. Зависимость горизонтальной составляющей силы резания от диаметра 1-при глубине 50 см; 2-при глубине 60 см.

Рис. 13. Зависимость вертикальной составляющей силы резания от диаметра 1-при глубине 50 см; 2-при глубине 60 см.

 

Результаты полевых исследований идентичны соответствующим лабораторным исследованиям. На рис. 12 и 13 представлены зависимости горизонтальной и вертикальной составляющей общей силы резания от диаметра дренера. По аналогии с обработкой данных лабораторных исследований кривые полевых исследований имеют вид показательной функции:

                                                 P_h =  A^\ d^n\                                                          /11/

                                                 P_V =  B^\d^m\                                                                                /12/

После определения коэффициентов горизонтальной и вертикальной составляющих суммарной силы резания по среднему арифметическому методу показательные функции имеют вид:

                                  P_h=  0,99d^2,51                                                           /13/

                                   P_V=  4,69d^1,81                                                           /14/

Суммарная сила Р, действующая на дренер под углом  имеет вид:

                                               P = k^\ d^a\                                                        /15/

Показатель степени а^\ =1,894 по сравнению лабораторными данными а=2,06.

Если принять а^\ =2,  то    k = 4,68.

Суммарная сила                          Р = 4,68d²                                                  /16/

Опыты, проведенные с дренерами различных типов показали, что горизонтальная и вертикальная составляяющие общего сопротивления являются функцией от диаметра дренера. Во время грунта дренер снимает грунт, перемещая его перед собой и только после предельного сжатия грунта происходит скалывание и перемещение грунта в стороны. Исходя из физического процесса резания грунта удельное сопротивление резания  k рассматриваем как составные двух членов:

                                           k = k₁ +k₂                                                      /17/                  

где: k₁ – коэффициент, характеризующий сопротивления грунта сжатию и скалыванию; k₂ - коэффициент, характеризующий сопротивления грунта вдавливанию режущей кромки и отодвигание в сторону.

Коэффициент k₁ – является функцией физико-механических свойств грунта.

Коэффициент k₂ – является функцией от формы и параметров дренера.

Исходя из этого, что между силами резания и показателями динамического плотномера существует прямо пропорциональная связь, то полученные зависимости приводим к виду, удобному для расчета сил резания.

                                  P_h=  0,99сd^2,51                                                           /18/

                                 P_V=  4,69сd^1,81                                                          /19/

где: С - показания плотномера грунта.

Результаты лабораторных и полевых опытов показали, что изменение сил, действующих на дренер, в зависимости от глубины резания зависит от влияния пахотного слоя, плотность которого в процессе обработки значительно меньше подпахотного слоя.

Таким образом для аридной зоны, обеспечения устойчивого хода кротователя, повышения долговечности кротовин при оптимальных значениях тягового сопротивления, необходимо применять дренер усеченные формы с углом заточки 27-30⁰, с длиной цилиндрической части порядка 200, диаметром 40, при глубине 600 мм.

Результаты лабораторных и полевых опытов показали, что изменение сил, действующих на дренер, в зависимости от глубины резания зависит от влияния пахотного слоя, плотность которого в процессе обработки значительно меньше подпахотного слоя. В качестве рабочих органов были применены усеченные дренеры на шарнирной тяге с ножом со ступенчато установленными ножами.

 

Литература:

1.      А.с. 1751263 /СССР/. Устройство для нарезки кротовин  /Хоммадов  К., Данатаров А. –Москва. 1992г. Бюл.№28.

2.      ГРИШКОВ Э.В. О параметрах дренера кротователя. Сб. научных труд. Разработка технологии, рабочих органов машин и орудии для строительства и эксплуатации оросительных систем. 1979г. с.62-67.

3.      ГРИШКОВ Э.В. Устойчивость хода кротователя. Труды ЮжНИИГиМа, вып. 26. Новочеркаск. 1977г. с.31-32

4.      ГРИШКОВ Э.В. О разрыхлении почвы в зоне формирования кротового увлажнителя. Труды ЮжНИИГиМа, вып. 1. Ростов-на Дону. 1974г.

5.      ДАНАТАРОВ А. Методика экспериментальных исследования процесса нарезки аэрационного дренажа. Повышение эффективности использования и надежность механизированных средств в сельскохозяйственном производстве аридной зоне. В сб. научных трудов ТСХИ. 1994г. т.38. вып.4  –с. 34-39.

6.      ДАНАТАРОВ А. Аэрационный дренаж в условиях аридной зоны. Международный научно-практический журнал №6. Проблемы освоения пустынь. 1999г. с.91-95.

7.      МАЦЕПУРО М.Е., ПИЛКАУСКАС К.А. Изменение сил, действующих на дренер в зависимости от его параметров. В кн.: Вопросы земледелческой механики. т.3. Минск. 1960г.