Технологические и силовые характеристики почвообрабатывающих рабочих органов


ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ








        Н. Е. Руденко


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ


Учебное пособие












Ставрополь «АГРУС» 2014

УДК 631.171
ББК 40.7
      Р83

Рецензент доктор технических наук, профессор А. Т. Лебедев




        Руденко, Н. Е.

Р83 Технологические и силовые характеристики почвообрабатывающих рабочих органов : учебное пособие / Н. Е. Руденко. - Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2014. - 92 с.



      ISBN 978-5-9596-0985-6


          Представлены наиболее распространенные рабочие органы, взаимодействующие с почвой, даны их технологические характеристики, описан расчет силовых показателей и пути их снижения.
          Для магистров и аспирантов аграрных учебных заведений, обучающихся по агроинженерным направлениям, а также для разработчиков почвообрабатывающей сельскохозяйственной техники.



УДК 631.171
ББК 40.7



Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства {протокол№ 7 от 03.02.2014)




ISBN 978-5-9596-0985-6

        © ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, 2014

        Оглавление


Введение...........................................5
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ..................6
     1.1. Физическое состояние почвы................6
     1.2. Механический состав почвы ................6
     1.3. Скважность (порозность) почвы.............7
     1.4. Плотность почвы...........................8
     1.5. Влажность почвы...........................8
     1.6. Твердость почвы...........................10
     1.7. Трение....................................11
     1.8. Липкость почвы............................14
2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЧВЫ.....................15
     2.1. Технологии механической обработки почвы..15
     2.2. Анализ процесса крошения почвы............17
     2.3. Взаимодействие клина с почвой.............20
3. ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ..............22
     3.1. Лемешно-отвальный корпус плуга............22
            3.1.1. Корпуса плуга с пластинчатыми отвалами 25
            3.1.2. Силы, действующие на корпус плуга . . . 26
            3.1.3. Тяговое сопротивление корпуса плуга . . 28
            3.1.4. Снижение затрат энергии за счет способа оборота пласта..........................29
     3.2. Зубья плоской зубовой бороны..............31
            3.2.1. Взаимодействие зуба с почвой.....31
            3.2.3. Спиралевидный зуб................34
            3.2.5. Глубина хода зубьев в почве......35
     3.3. Стрельчатые лапы культиваторов............38
            3.3.1. Обоснование параметров стрельчатой лапы........................38
            3.3.2. Тяговое сопротивление стрельчатой лапы 42
            3.3.3. Энергосберегающая стрельчатая лапа. . . 44
            3.3.4. Двухъярусная стрельчатая лапа...46

3

     3.4. Диски.....................................47
            3.4.1. Характеристика дисков............47
            3.4.2. Плоские диски....................51
            3.4.3. Бороздообразующие плоские диски. ... 52
             3.4.4. Комбинированный дисковый рабочий орган...........................52
            3.4.5. Лопастной диск...................54
            3.4.6. Зубовый диск.....................58
     3.5. Катки.....................................59
            3.5.1. Назначение и классификация катков ... 59
            3.5.2. Взаимодействие катка с почвой...60
            3.5.3. Двухъярусный каток...............63
     3.6. Фреза.....................................65
     3.7. Штанговый рабочий орган...................67
     3.8. Струнный рабочий орган....................72
     3.9. Комбинированные рабочие органы............74
             3.9.1. Комбинация стрельчатой лапы с прутковым катком......................74
             3.9.2. Комбинация стрельчатой лапы с ротационным зубовым диском............77
             3.9.3. Комбинация стрельчатой лапы с рабочим органом для обработки почвы
            в    защитной зоне виноградника.........80
4. ТЯГОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КУЛЬТИВАТОРА
ДЛЯ СПЛОШНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ........................83
Контрольные вопросы и задания.......................88
Библиографический список............................90

4

        Введение


   Человек начал обрабатывать почву в глубокой древности. Вначале он применял палку, затем рало, соху, борону, плуг.
   Обработка почвы необходима с целью создания оптимальных водного, воздушного, теплового, питательного режимов для растений, усиления биологических процессов, уничтожения сорняков и вредителей, для заделки удобрений, стерни, растительных остатков, защиты от водной и ветровой эрозии, повышения плодородия.
   Для каждой технологии обработки почвы используют определенный тип рабочих органов.
   Для вспашки служат корпуса, оснащенные лемехами и отвалами.
   Поверхностную обработку почвы проводят боронами, лущильниками, культиваторами, рабочими органами которых являются зубья, диски, стрельчатые лапы, катки.
   Для интенсификации технологических процессов используют комбинированные рабочие органы.
   С целью повышения качественных показателей и снижения затрат энергии необходимо оптимизировать технологические и конструктивные параметры рабочих органов, режимы их работы.

5

        1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

    1.1. Физическое состояние почвы

  Задача технологического процесса обработки почвы - изменение свойств и состояния почвы, уничтожение прорастающих сорных растений, создание благоприятных условий для роста и развития культурных растений.
  Почва представляет собой многофазную дисперсную среду. Она состоит из четырех частей: твердой, жидкой, газообразной и живой.
  Твердая часть включает минеральные и органические вещества. Минеральные вещества - это песок и глина, органические -гумус, корни, стебли растений. Содержание гумуса в почве колеблется от 1 до 12 %. Это продукт переработки микроорганизмами органических остатков отмерших растений и животных. Он придает почве темный свет. В гумусе содержатся все элементы питания растений, которые становятся доступными для них только после разложения, минерализации микроорганизмами.
  Жидкая часть - это вода и растворы различных веществ, которые обеспечивают питание растений через корни.
  Газообразная часть - это воздух, пары воды, углекислый газ, который выделяют корни и другие газы.
  Живая часть - это грибы, бактерии, черви, моллюски, личинки, куколки насекомых. В 1 г почвы содержится сотни миллионов микроорганизмов, а на 1 га живая часть достигает 5.. .7 т. Чем выше окультуренность почвы, тем больше в ней живая часть.

    1.2. Механический состав почвы

  Качество обработки почвы во многом зависит от её механического состава. Классификация почвы по механическому составу происходит в зависимости от содержания в ней физической глины, т. е. частиц почвы менее 10 мкм (0,01 мм).
  Почвы разделяют на лёгкие, средние и тяжёлые. К легким почвам относят песчаные, супесчаные и легкосуглинистые почвы, которые содержат до 30 % физической глины. Они хорошо поддаются механической обработке, отличаются водопроницаемостью и лучшим воздушным режимом. Средняя почва', суглинок средний, 6

содержит 31...45 % физической глины. К тяжелым почвам относят суглинок тяжелый (46...60 %) и глину (> 60 %). Глинистые почвы - тяжёлые. При увлажнении они легко заплывают, липкость их увеличивается, при подсыхании образуется мощная почвенная корка, а при обработке - глыбы, что отрицательно сказывается на росте и развитии культурных растений.
   В агрономическом отношении наиболее ценная часть - агрегаты размером 0,25... 10 мм. Более крупные почвенные отдельности считаются глыбистой частью, более мелкие относятся к распылённой фракции. Наиболее водопрочными являются агрегаты размером 1,0...3,0 мм.
   Если в верхнем слое почвы 0.. .50 мм частиц почвы размером до 0,25 мм более 25 %, то такая почва при отсутствии стерни и растительности подвергается ветровой эрозии.
   Макроагрегапшый состав почвы оценивается тремя коэффициентами:                          т
Коэффициент структурности: Kс =----’—■;


   Коэффициент распыленности: KP


   Коэффициент глыбистости: Kг

      m
  m (<0,25)
=---------,
      m
m (>10)
  m

где т — общая масса взятой для анализа почвы, кг;
   zn₍₀ ₂₅ ₁₀₎ - масса фракции почвы 0,25... 10 мм;
   от(<0 25) “ масса фракции почвы менее 0,25 мм;
   zn₍> ₁₀₎ - масса фракции почвы более 10 мм.
   Желательно, чтобы коэффициент Кс был наибольшим, а Кр и К₍, - наименьшими.
   К наиболее эффективным приёмам восстановления структурных свойств почв относятся агротехнические: обработка в спелом состоянии, возделывание многолетних трав, применение органических удобрений, сидератов, известкование кислых почв, мелование и гипсование солонцов.


    1.3. Скважность (порозность) почвы


   Скважность, или порозность, характеризуется долей пустот, находящихся в общем объеме почвы, и выражается в процентах:


7

                         -^
Сп = -^-100 %,                    (1)
⁻п
где Кду - объем пустот, мм³;
   Vₙ — общий объем почвы, мм³.
   Оптимальная порозность почвы находится в пределах 40... 60 %. Поры диаметром менее 10 мкм (0,01 мм) непроходимы даже для тонких корней растений, а диаметром менее 3 мкм (0,003 мм) -для большинства почвенных микроорганизмов. Порозность имеет существенное значение для создания благоприятного водного, воздушного, теплового и пищевого режимов.

    1.4. Плотность почвы

   Плотность почвы - это отношение массы почвы /ипк ее объему Vₙ в естественном состоянии:
                    _ т..
                    П =---- т/м³.                     (2)
                         V
  Она изменяется от 0,7 до 1,8 т/м³.
   Оптимальной считается плотность 1,0... 1,3 т/м³. При плотности более 1,4 т/м³ корни плохо проникают в почву. Комки почвы с такой плотностью практически не участвуют в процессе повышения ее плодородия. По И. Б. Ревуту, отклонение плотности почвы на 0,1...0,3 т/м³ от оптимальной приводит к снижению урожайности на 20.. .40 %. Плотность почвы уменьшают рыхлением, а повышают уплотнением.
   Рыхление — увеличение расстояния между комочками почвы с частичным уменьшением их размеров. Эта операция улучшает водо- и воздухопроницаемость почвы и аэрацию.
   Уплотнение—технологическая операция, приводящая к уменьшению расстояния между комочками почвы, то есть обратная рыхлению. Она увеличивает плотность, способствует подтягиванию влаги, улучшает прогревание почвы.

    1.5. Влажность почвы

   Влажность почвы - отношение массы содержащейся в ней воды к массе сухой почвы, выраженное в процентах. Это абсолютная влажность почвы:

8

m. — m
wa =    —c- •100%,                  (3)
m c
где Ж — абсолютная влажность почвы, %;
   ть- масса образца влажной почвы, г;
   тс - масса образца сухой почвы, г.
   Сухая почва - такая почва, у которой масса образца при дальнейшем высушивании в сушильном шкафу (при температуре 105 °C) практически не изменяется.
   Для оценки степени увлажнения различных по механическому составу почв используют показатель «наименьшая влагоёмкость почвы» (Жп).
   Наименьшая влагоёмкость Wₐ - количество влаги, прочно удерживающееся в почве после перемещения части её в нижележащие слои под действием гравитационных сил и выраженное в процентах от массы абсолютно сухой почвы.
   Оптимальной в течение вегетационного периода является влажность почвы не ниже 80 % от W. п
   Наименьшая влагоёмкость изменяется в зависимости от механического состава почв : супесь - 18...20 %, лёгкий суглинок -24...26 %, средний-28...30 %, тяжёлый суглинок - 31...33 %.
   Повышают влажность почвы поливами и прикатыванием (подтягивание воды с нижних слоев), а снижают - рыхлением.
   Снижение влажности почвы происходит путем капиллярного подъема влаги за счет конвекции и диффузии, вызванного градиентами температуры и давления, потоком воздуха. Капиллярный подъем влаги определяется структурным состоянием почвы, размерами агрегатов.
   Так, по данным И. А. Летунова:
   - при размерах агрегатов (мм): до 1; 1.. .3; 3.. .5;
     -  за пять суток поднялось влаги с единицы объема почвы соответственно (см³/см³): 35,9; 8,4; 5,7;
     -  за шестые сутки (см³/см³): - 2,9; 0,5; 0,3.
   По данным Н. Е. Руденко, А. П. Ляхова, оптимальным фракционным составом поверхностного слоя почвы для снижения потерь влаги на физическое испарение являются агрегаты размерами 5... 10 мм (рис. 1). Они лучше удерживают почвенную влагу, образуя эффективный мульчирующий слой.

9

ft t /         »' i 3          6    7 g 9 V
Количество суток

Рисунок 1 - Влажность почвы в зависимости от фракционного состава верхнего слоя

   Опыты проводили в лизиметрах (емкостях), доводя предварительно влажность почвы до наименьшей влагоемкости (НВ), которая соответствует абсолютной влажности почвы 27 %. Влажную почву покрывали слоем 50 мм разного фракционного состава. Лизиметры находились в естественных условиях летнего периода, соблюдался принцип единственного различия.


    1.6. Твердость почвы


   Твердость - свойство почвы в естественном состоянии сопротивляться проникновению в нее какого-либо тела (деформатора). Это сопротивление сжатию и расклиниванию.
   Твердость почвы выражается в Па (Н/м²) и измеряется с помощью приборов, называемых твердомерами.
   По данным Н. А. Качинского, почвы по твердости разделяют на следующие категории:
   > 10,0 МПа - слитная;      5,1... 10,0 МПа - весьма твердая;
   3,1.. .5,0 МПа - твердая; 2,1.. .3,0 МПа - твердоватая;
   1,0...2,0 МПа - рыхловатая; <1,0 МПа - рыхлая.


10

   Твердость связана с несущей способностью почвы. Несущая способность почвы определяется удельным давлением на почву, при котором поверхность почвы под движителем уплотняется, но не приводит к образованию колеи. Допустимое удельное давление на почву при оптимальной влажности не должно превышать 150.. .300 Па, а при избыточном увлажнении -100.. .120 Па.


        1.7. Трение


  В процессе работы почвообрабатывающих машин возникают силы сопротивления, вызванные трением. Различают внутреннее трение, или трение почвы о почву, и внешнее трение - трение почвы о поверхности рабочих органов.
  Знание величины коэффициентов трения позволяет правильно подойти к выбору рабочих органов почвообрабатывающих машин, которые бы позволили выполнять наиболее качественно технологический процесс при возможно меньшей затрате энергии.
  Коэффициент внутреннего трения ъяръжлякп на установке, схема которой представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема прибора для определения коэффициента внутреннего трения почв:
1,3- неподвижные обоймы; 2 — тюцрнжная обойма; 4 — динамометр;
5 - лебедка; 6 - рукоятка

   Обоймы 7, 2 и 3 заполняют почвой, по возможности сохраняя ее монолитность. Затем, поворачивая рукоятку лебедки 5, перемещают подвижную обойму 2 относительно неподвижных 1 и 3. Динамометр 4 определит усилие Fq, необходимое для перемещения обоймы 2.


11

   Сила FQ по величине равна и противоположно направлена силе трения Fpj,:
                     F = F = F¹ + F"                   Ml
                     ■* О ‘ TP TP 'TP’                 W
где FTp- сила трения, возникающая при смещении обоймы 2 относительно обоймы 7;
     FTp - сила трения, возникающая при смещении обоймы 2 относительно обоймы 3.
   Численные значения     и FTP равны:
FTT = f . • F^,                   (5)
ftp=fзн • ( f:+о,                        (6)
где F„ - сила тяжести обоймы 1; Ж                  ⁷
     F" — сила тяжести обоймы 2; Ж                  ⁷
       - коэффициент внутреннего трения почвы.
   Тогда
F = Лн • F + fₓ •( F + F )•              со
   Отсюда
       f „ =---F— =--------F------=------F-----’       (8)
² F + Fₓ   2 mₓ g + m ^ g g (2 mₓ + m ₂)
где mₚ m₂ — масса обоймы 7 и 2.
   Коэффициент внутреннего трения изменяется в зависимости от типа почвы и ее влажности.
   Например, для чернозема тяжелосуглинистого при изменении влажности от 6 до 30 % он уменьшается от 0,9...1,1 до 0,3...0,5.
   Коэффициент трения покоя f^u коэффициент трения движения почвы по поверхности рабочего органа определяют на установке «Трибометр».
   Установка состоит из плоскости 1 (рис. 3), на которую крепится один из испытуемых материалов (стальная полоса), тягового реле с упором 2, датчика 3, секундомера 4, включателя с кнопкой 5, транспортира 6 и рамы 7.
   Для определения коэффициента трения покоя почвенный образец 8 помещают на плоскость 1, установленную горизонтально. Затем плавно наклоняют плоскость до момента начала движения образца. В этот момент с помощью транспортира фиксируется угол ан наклона плоскости.

12