Обоснование параметров колебательных устройств глубокорыхлителей почв

ЮЖНЫЙ ФИЛИАЛ НАЦИОНАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОРЕСУРСОВ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
“КРЫМСКИЙ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Факультет механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции

                                  Допускается к защите
Зав. кафедрой механизации,
энергетики и технического сервиса, д.т.н., профессор
                              ______________ Л.Ф. Бабицкий
                              "___" _______________ 2011 г.


ДИПЛОМНАЯ (МАГИСТЕРСКАЯ) РАБОТА

Обоснование параметров колебательных устройств глубокорыхлителей почв
	
МТМР. 1.05000.000 ПЗ

специальность 8.10010203 «Механизация сельского хозяйства»
направление 0919 «Механизация и электрификация сельского хозяйства»


Руководитель, д.т.н., профессор					Л.Ф. Бабицкий
Нормоконтролер, ст. преподаватель	 				А.А. Сафонова
Исполнитель, магистрант						Д.Е. Андриенко


Симферополь 2011

СОДЕРЖАНИЕ
     
АННОТАЦИЯ                                                                                                              4
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ							           7 ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                  8
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ                                      13
1.1 Особенности и задачи основной обработки почвы в условиях 
юга Украины                                                                                                              13
1.1.1 Задачи основной обработки почвы                                                                 13
1.1.2 Приемы основной обработки почвы                                                               15
1.1.3 Особенности обработки почвы в условиях юга Украины                            16
1.2 Анализ существующих конструкций                                                             18
1.3 Анализ теорий по обоснованию параметров колебательных 
      устройств глубокорыхлителей почв                                                             22
1.4 Выводы. Цель и задачи магистерской работы                                              28
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ
КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГЛУБОКОРЫХЛИТЕЛЕЙ ПОЧВ               30          
2.1 Физические и механические свойства почвы                                                   31
2.2 Реологическая модель почвы                                                                             34
2.3. Обоснование технологической схемы обработки почвы колебательным глубокорыхлителя	   38
2.4. Обоснование параметров колебательных механизмов подвески	 40
2.4.1 Обоснование зазора и жёсткости колебательной подвески	40
2.5. Последовательность проектирования и расчета	49
Выводы	50
3  ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ                                                                                                                             51
3.1. Программа экспериментальных исследований                                                51
3.2. Установки, приборы и оборудование,
используемые для проведения экспериментов	52
3.3. Методика лабораторных исследований	53
3.4. Определение физико-механических свойств почвы	57
3.5. Методика определения качественных показателей обработки почвы	59
3.6. Методика определения энергетических показателей
       обработки почвы	61
3.7. Методика определения амплитудно-частотных характеристик процесса взаимодействия колебательноых устройств глубокорыхлителя
с почвой	63
3.8 Методика обработки экспериментальных данных                                       64
Выводы                                                                                                                    65
4.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ                   66
4.1. Результаты лабораторных исследований 	66
4.2. Результаты полевых испытаний 	67
4.3. Качественные показатели обработки почвы	68
4.4. Энергетические показатели рабочих органов	70
Выводы                                                                                                              71
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГЛУБОКОРЫХЛИТЕЛЕЙ ПОЧВЫ	72
Выводы	73
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 	74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                                    	    76
ПРИЛОЖЕНИЕ                                                                                                 80
     АННОТАЦИЯ
     
     Магистерская работа – Обоснование параметров колебательных устройств глубокорыхлителей почв.
     Южный филиал Национального университета биоресурсов и природопользования Украины «Крымский агротехнологический университет». Симферополь, 2011.
     Кафедра – механизации, энергетики и технического сервиса.
     Магистрант – Андриенко Д.Е.
     Руководитель – доктор технических наук, профессор Бабицкий Л.Ф.
     Магистерская работа состоит из пояснительной записки, содержащей 80 страниц, 10рисунков, 8 таблиц, и 9 плакатов на листах формата А1.
     Пояснительная записка содержит введение, состояние вопроса и обоснование темы, теоретические предпосылки к обоснованию параметров колебательных устройств глубокорыхлителей почвы, программу и методику экспериментальных исследований, результаты экспериментальных исследований и расчет экономической эффективности, общие выводы и предложения, список использованных литературных источников.
     Ключевые слова: глубокорыхлитель, почва, колебательный механизм, степень крошения, тяговое сопротивление.
                                                                                                                                                                                                                                                                       
                                                           
     АНОТАЦІЯ
     
	     Магістерська робота – Обґрунтування параметрів коливальних пристроїв глибокорозпушувачів ґрунтів. 
     Південний філіал Національного університету біоресурсів і пріродо-корістування України «Кримський агротехнологічний університет». Сімферополь, 2011. 
     Кафедра – механізації, енергетики і технічного сервісу. 
     Магістрант – Андрієнко Д.Е. 
     Керівник – доктор технічних наук, професор Бабіцкий Л.Ф. 
     Магістерська робота складається із записки пояснення, що містить 80 сторінок, 10рісунков, 8 таблиць, і 9 плакатів на листах формату А1. 
     Пояснювальна записка містить вступ, стан питання і обґрунтування теми, теоретичні передумови до обґрунтування параметрів коливальних пристроїв глибокорозпушувачів ґрунту, програму і методику експериментальних досліджень, результати експериментальних досліджень і розрахунок економічної ефективності, загальні виводи і пропозиції, список використаних літературних джерел. 
     Ключові слова: глибокорозпушувач, грунт, коливальний механізм, ступінь кришіння, тяговий опір.

     ANNOTATION
     
     Master's Degree work is Ground of parameters of swaying gears of chisel plows of soils. 
     The Southern branch of the National university of bioresources and prirodo-use of Ukraine is the «Crimean agrotechnological university». Simferopol, 2011. 
     Department – mechanization, energy and technical service. 
     Magistrant – Andrienko D.E. 
     Leader is a doctor of engineerings sciences, professor Babickiy L.F. 
     Master's Degree work consists of expl. message, containing 80 pages, 10 pictures, 8 tables, and 9 placards on the folias of format of A1. 
     An expl. message contains introduction, state of question and ground of theme, theoretical pre-conditions to the ground of parameters of swaying gears of chisel plows of soil, program and method of experimental researches, results of experimental researches and calculation of economic efficiency, general conclusions and suggestions, list of the used literary sources.
	      Keywords: chisel plow, soil, swaying gear, degree of krosheniya, hauling resistance.


     ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
     
     ? – напряжение 
     ? – деформация 
     E – модуль упругости 
     ? – коэффициент вязкости при сжатии 
     ? – коэффициент вязкости при сдвиге 
     ?S – предел текучести 
     W – степень подвижности 
     ? – циклическая частота
     т – масса 
     h – глубина обработки почвы 
     ? – угол внутреннего трения почвы
     ? – угол трения почвы по стали
     v – скорость 
     а – ускорение 
     t – время 
     N – сила нормального давления
     МТА – машинно-тракторный агрегат

ВВЕДЕНИЕ
     Актуальность темы. Программой интенсивного развития материально-технической базы сельского хозяйства Украины предусмотрено совершенствование существующих и создание новых машин для производства сельскохозяйственной продукции с учётом передовых энерго- и ресурсосберегающих технологий. Законом Украины об энергосбережении предусмотрено развитие научных исследований по экономии ресурсов при механизированном производстве сельскохозяйственных культур. Земельный фонд Украины составляет около 34 млн. гектаров пашни, для механизированной обработки которой необходимо более 8 млн. тонн горюче-смазочных материалов в год. За последние годы цены на топливо и смазочные материалы поднялись в 8…12 раз. В связи с устойчивой тенденцией возрастания стоимости топлива проблема снижения энергоёмкости обработки почвы приобретает особую актуальность [1, 6].
   В процессе возделывания сельскохозяйственных культур необходимо многократно использовать различные типы машин и орудий. Однако они значительно уплотняют почву на глубину до 0,6 м и более. Длительное применение для обработки почвы лемешных плугов и плоскорезов приводит к образованию уплотнённой «плужной подошвы», уменьшающей влагопроницаемость почвы и препятствующей газообмену между почвой и атмосферой. Переуплотнение почвы снижает ее биологическую активность. Эти факторы ухудшают условия роста корневой системы растений и приводят в результате к существенному недобору урожая. Разрушение структуры почвы сопровождается усилением эрозионных процессов. Площадь эродированных земель в Украине ежегодно увеличивается на 80…90 тыс. га; условные потери продукции земледелия от эрозии составляют 9…12 млн. т зерна, а общие убытки – 5…5,5 млрд. грн. [6, 42].
     С целью улучшения состояния почвы необходимо периодически проводить ее глубокое рыхление. Для его осуществления применяются орудия вибрационного глубокорыхлителя типа, которые способствует разрушению уплотнённой «плужной подошвы», предупреждению водной и ветровой эрозии почвы, улучшению ее аэрации и влагопроницаемости. В результате глубокорыхления почвы улучшаются условия роста и развития сельскохозяйственных растений, что в конечном итоге повышает урожайность возделываемых культур [42].
   Существующие почвообрабатывающие орудия глубокорыхлителя, оснащенные рыхлительными долотообразными лапами шириной захвата 0,05м, не обеспечивают качества рыхления почвы, соответствующего агротехническим требованиям. С увеличением ширины захвата глубокорыхлительных лап степень рыхления почвы возрастает, но одновременно происходит рост тягового сопротивления [42]. Оснащение глубокорыхлительных плугов приспособлениями для дополнительного крошения почвы также увеличивает их тяговое сопротивление. Таким образом, очевидно противоречие между необходимостью снижения энергозатрат и обеспечением требуемого качества обработки почвы, для разрешения которого необходимо создание принципиально новых типов глубокорыхлительных рабочих органов.
     Уменьшение сопротивления движению рыхлителя в почве может быть достигнуто путём использования различных вибрационных и импульсных воздействий. При этом наиболее простым способом, не требующим применения специальных колебательных устройств и дополнительных затрат энергии, является создание условий для возникновения колебаний рабочего органа за счёт периодичности фаз деформации и разрушения почвенного пласта [7].
     Новых положительных эффектов в работе колебательных почвообрабатывающих рабочих органов можно достичь при рациональном сочетании в их конструкциях колебательных устройств и ротационных рыхлительных элементов с обеспечением автоматической настройки, в соответствии с изменением свойств обрабатываемой среды. Решению этих задач посвящена магистерская работа.
     Целью магистерской работы является повышение степени крошения почвы и снижение энергозатрат при её глубоком рыхлении, путём обоснования рациональных параметров и режимов работы колебательных устройств глубокорыхлителей с дополнительными рыхлящими элементами, исползущих кинетическую энергию подвижных масс.
      В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие основные задачи:
1. Теоретически обосновать процесс взаимодействия с почвой  глубокорыхлителя с колебательным устройством, оснащённых дополнительными рыхлящими элементами.
2. На основе физико-механических и деформационных свойств почвы определить рациональные параметры и режимы работы глубокорыхлителей колебательного действия.
3. Экспериментально определить влияние параметров и режимов работы колебательного устройства глубокорыхлителей на степень крошения почвы и энергетические затраты.
4. Разработать методику проектирования колебательного устройства глубокорыхлителей с дополнительными рыхлящими элементами.
5. Определить технико-экономическую эффективность применения почвообрабатывающих орудий, оснащенных колебательных устройств глубокорыхлителей.
Объект исследований – технологический процесс обработки почвы глубокорыхлителями с колебательными устройствами.
 Предмет исследований – взаимосвязь параметров и режимов работы колебательных устройств глубокорыхлителей с качественными и энергетическими показателями обработки почвы.
     Методы исследований. При теоретических исследованиях процесса деформирования почвы колебательных устройств глубокорыхлителей использовалась механика сплошной среды. Обоснование параметров колебательных устройств глубокорыхлителей осуществлялось с использованием методов классической механики и теории колебаний. Экспериментальные исследования проводились с применением методики планирования и проведения многофакторного эксперимента, динамометрирования, прямых измерений, цифровой фото- и видеосъемки. При обработке полученных результов применялись методы математической статистики.
          Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые установлены закономерности процесса колебательных устройств глубокорыхлителя почвы колебательно-ударными с дополнительными рыхлящими элементами, использующими кинетическую энергию подвижных масс;
- установлены аналитические зависимости для обоснования рациональных параметров виброударной подвески с двухсторонними ограничителями и дополнительных рыхлящих элементов колебательных устройств вибрационного глубокорыхлителя с учетом физико-механических свойств почвы;
- впервые получены экспериментальные зависимости частоты колебаний, тягового сопротивления колебательного устройства глубокорыхлителя рабочих органов и степени крошения почвы от глубины обработки и скорости движения.
     Практическая значимость работы состоит в разработке методики инженерного проектирования и расчета колебательного устройства глубокорыхлителей с дополнительными рыхлительными элементами, создании экспериментальных образцов рабочих органов которые обеспечивают повышение степени крошения почвы при ее глубоком рыхлители на 23-25% и снижение энергетических затрат на 14-20%.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ
     
1.1 Особенности и задачи основной обработки почвы в условиях юга Украины.
1.1.1 Задачи основной обработки почвы.
    Основная обработка почвы – это первая, наиболее глубокая обработка, выполненная после уборки предшествующей культуры определенным способом, самостоятельно или в сочетании с приемами поверхностной обработки для решения главных задач обработки [18].
         Основные задачи основной обработки почвы следующие [18, 21]:
- сохранение и повышение плодородия почвы, защита ее от эрозии и создания условий для устойчивого зонального земледелия;
- изменение строения и агрегатного состава обрабатываемого слоя почвы с целью создания благоприятного для растений водного, воздушного, теплового и питательного режимов, обеспечения активизации микробиологических процессов, более мощного развития корневых систем культурных растений;
- очищение почвы от сорных растений, их семян и вегетативных органов размножения, а также возбудителей болезней и вредителей сельскохозяйственных культур.
    Кроме основных задач, стоящих перед основной обработкой почвы, необходимо учитывать отдельные частные задачи, например, снижение жизнеспособности многолетней растительности, заделка в почву растительных остатков, удобрений, сохранение стерни на поверхности почвы, изменение формы поверхности поля, создание условий для посева и прорастания семян культурных растений, а также ухода за посевами, уборки урожая без потерь при высоком качестве [21].
    Основную обработку почвы поводят в летне-осенний период предшествующего посеву года (так называемая зяблевая обработка) или в весенне-летний период в год посева возделываемой культуры [21].
    Необходимо при совершенствовании способов, приемов и в целом системы основной обработки почвы исходить из требований технологии возделывания каждой сельскохозяйственной культуры, сорта, особенностей почвенно-химических условий и предшественника. С учетом этого определяют время применения одного или совокупности разноглубинных способов и приемов, объединяемых в систему основной обработки в сочетании с поверхностной обработкой [21].
    Основную обработку под яровые культуры проводят осенью или весной. Выбор сроков обработки почвы определяется необходимостью регулирования водного режима, засоренностью полей, наличием вредителей и возбудителей болезней сельскохозяйственных растений. Осенние сроки обработки, как правило, являются оптимальными для выполнения всех требований, предъявляемых к обработке почвы. В системе обработки почвы сочетание способов и приемов может быть различным [21].
    В результате основной обработки почвы происходят следующие процессы [15]: 
- изменение строения, а иногда и генетического строения обрабатываемого слоя почвы с целью создания условий для оптимального сочетания водного, воздушного и теплового режимов;
- усиливается круговорот питательных веществ за счет активизации микробиологических процессов, минерализации органических веществ и вовлечение в круговорот питательных веществ из более глубоких слоев почвы;
- уничтожается механическим путем cорная растительность и создаются благоприятные условия для очищения почвы от источников размножения сорняков, болезней и вредителей культурных растений;
- в почву заделываются растительные остатки или, при необходимости, сохраняется стерня на поверхности;
- предупреждается возникновение водной и ветровой эрозии почвы;
- заделываются в почву органические и минеральные удобрения, почвенные гербициды  структурообразователи;
- повышается эффективность поливов;
- создаются условия для проведения последующих работ по подготовке почвы и рациональному использованию машинно-тракторного парка.

1.1.2 Приемы основной обработки почвы.
       Вспашку проводят плугами с различной формой отвала (цилиндрической, культурной, полувинтовой, винтовой и комбинированной) [18].
    Плуг с цилиндрическим отвалом хорошо крошит почву, но не оборачивает ее полностью (применяют на окультуренных незадернелых и легких почвах). Плуг с винтовым отвалом делает полный оборот пласта, но слабо крошит его (для целины, лугов, пастбищ). Плуги с полувинтовыми и культурными отвалами занимают промежуточные положения, а комбинированные – между культурными и полувинтовыми отвалами. Полувинтовые отвалы лучше обрабатывают, но хуже рыхлят пласт. Плуги с культурной формой отвала и предплужниками обеспечивают хорошее оборачивание, рыхление и крошение почвы. Для основной обработки почвы, кроме обычных плугов, используют другие орудия плужного типа – плантажные и двух-, трехъярусные плуги а также дисковые и безотвальные плуги, глубокорыхлители, плоскорезы, фрезы. Главное в обосновании целесообразности использования безотвальных почвообрабатывающих орудий заключается в защите почвы от ветровой и водной эрозии, сохранение почвенного плодородия при энергосберегающих технологиях возделывания растений [18].
    Для основной обработки используются специальные приемы: вспашка с кротованием, с почвоуглубителями, с вырезными отвалами, а также глубокорыхление, щелевание и фрезерование. Как показала практика мирового земледелия глубина пахотного слоя при основной обработке оказывает очень значительное влияние как на состояние почвы, так и на продуктивность растений. Это показано в таблице 1.1 [21].
    
Таблица 1.1 – Влияние глубины и степени окультуренности пахотного
слоя на продуктивность озимой пшеницы.
Глубина пахотного слоя, м
Запасы гумуса, т/га
Плотность, г/см3
Урожайность в фазе молочной спелости, т/га
0,17
28
1,30
17,1
0,20
38
1,20
26,3
0,22
39
1,16
40,7
0,26
51
1,14
47,0
0,38
85
1,09
52,4
    
1.1.3 Особенности обработки почвы в условиях юга Украины.
       Система обработки почвы должна быть дифференцированной, учитывающей почвенно-климатические условия, биологические свойства культур и специализацию земледелия, а также особенности хозяйства и постоянно изменяющиеся погодные условия. Так как в Крыму засушливый климат, а почвы в основном имеют благоприятные физические свойства, но подвержены ветровой эрозии, а в некоторых районах и водной, то общее направление обработки должно быть почвозащитным, энерго- и влагосберегающим [21].
    В Крыму зяблевая вспашка с лущением стерни является составной частью паровой обработки почвы, которая на связных почвах производится по типу черного (вспашка осенью), а на легких -  по типу раннего пара (вспашка весной в мае). В период парования поля проводится 3-4 послойные обработки почвы с заключительной перепашкой (двойной) пара. В засушливое лето перепашку пара не производят или ее заменяют глубоким рыхлением. На водноэрозионных участках земель юга Украины должна применятся пахота поперек склона с поделкой валиков, гребней, перемычек, со щелеванием плоскорезами и другими специальными приемами обработки почвы для борьбы с водной эрозией [21].
    Для предупреждения развития эрозионных процессов на всех типах почвы первостепенное значение имеет соблюдение довольно простых правил при их обработке. Это, прежде всего, проведение вспашки и других видов обработки поперек направления склонов, применение почвоуглубления, контурной, безотвальной и разноглубинной вспашки. Особенно эффективны специальные виды обработки почвы – вспашка с щелеванием, лункованием, бороздованием, гребневанием и другие, обеспечивающие хорошую водопроницаемость почвы и устраняющие поверхностный и внутренний сток воды на склонах. Уменьшению стока и связанной с ним эрозии почвы способствует также снегозадержание с размещением уплотненных полос снега и снежных валиков поперек склонов [21].
    
1.2  Анализ существующих конструкций
     
    Почвообрабатывающий рабочий орган, изображенный на рис. 1.1, имеет нижнюю пружинную изогнутую полосу, стойку с рыхлящим рабочим элементом. Этот рабочий орган отличается тем, что с целью повышения качества обработки и снижения тягового сопротивления за счет увеличения уровня колебаний рабочего органа, подвеска расположена под острым углом к горизонтальной плоскости и снабжена верхней расположенной над выполненной прямолинейной пружинной полосой, причем верхняя и нижняя полосы расположены в вертикальной плоскости, их передние концы жестко соединены с рамой, а задние посредством кронштейна – со стойкой, при этом нижняя полоса выполнена в виде сопряженных между собой изогнутой средней и крайних прямолинейных участков, последние из которых параллельны верхней полосе, а изгиб среднего участка нижней полосы выполнен в виде части окружности, выпуклость которой обращена к рабочему элементу [31].
    
    Рис. 1.1 – Почвообрабатывающий рабочий орган:
1 – стойка; 2 – рыхлящий элемент; 3 – кронштейн; 4 – верхняя пружинная пластина; 5 - нижняя пружинная пластина; 6 – рама; 7 – накладка; 8 – болт.

Недостатком этого изобретения является излишняя вибрация, передаваемая трактору. 

      Колебательных глубокорыхлитель, изображенный на рис 1.2, выполнен из стойки с рабочим элементом, сводообразователя, шарнирно закрепленного на стойке, и вибратора; отличается тем, что, с целью повышения качества рыхления почвы, в средней части стойки расположен по крайней мере один дополнительный рабочий элемент, а сводообразователь выполнен полуцилиндрической формы и снабжен в передней части наклонный резцом, при этом вибратор установлен на стойке с поперечным смещением [36]. Недостатком данной конструкции является ее сложность изготовления.


    
    Рис. 1.2 – Колебательный глубокорыхлитель:
1- стойка; 2,3 – основной и дополнительный рабочие элементы; 4 – шарнир; 5 – сводообразователь; 6 – резец; 7 – вибратор; 8 – рама; 9 – амортизатор.

       Рабочий орган ножа-рыхлителя [37] состоит из стойки 1 с лезвием 2 (рис. 1.3). Верхний конец лезвия шарнирно связан с упругим элементом 7. Нижний конец лезвия шарнирно связан со стойкой. Между звеном 4 и упором 5 размещен упругий элемент 6, Упругий элемент 6 отклоняет и возвращает стойку в первоначальное положение. Одновременно с рыхлением почвы лезвие перерезает стебли и корни растений. Сопротивление перерезанию растительности меньше сопротивления рыхлению почвы, поэтому упругие элементы 6 и 7 имеют неодинаковую жесткость.
    
     Рис. 1.3 – Рабочий орган ножа-рыхлителя
    
    Почвообрабатывающий рабочий орган [33] состоит из стойки 1, наральника 2 и установленных в шарнирах 3 на передней грани 4 стойки 1 рыхлящих элементов 5 (рис. 1.4). Каждый из них выполнен в виде изогнутой пластины. На верхнем конце пластины выполнен выступ 6, а на нижнем — паз 7, смежные пластины соединены между собой плоской криволинейной пружиной 8. Выступ б каждой нижерасположенной пластины размещен в пазу 7 вышерасположенной пластины. Таким образом, благодаря наличию активных рыхлящих элементов значительно облегчается перемещение стоек в почве и снижается общая энергоемкость работы.
     
     Рис. 1.4 – Почвообрабатывающий рабочий орган
     
    Колебательный глубокорыхлитель включает раму 1, стойку 2 с эксцентриковым вибратором 3 (рис. 1.5). Узел соединения стойки 2 с рамой 1 цилиндра 4 с размещенным в нем диском 5 со штоком 6, подсоединенным к стойке 1, причем с двух сторон диска 5 размещены пружины 7 и 8 различной жесткости. Такое выполнение глубокорыхлителя позволяет значительно уменьшить тяговое сопротивление за счет суммарного воздействия рабочего органа на почву от колебания его эксцентрикового вибратора и автоколебаний; увеличить долговечность рыхлителя за счет уменьшения ударных нагрузок, возникающих в результате знакопеременных сил инерции рабочего органа; улучшить условия труда тракториста за счет уменьшения колебания рамы рыхлителя и передачи их на трактор [36].
    
    Рис. 1.5 – Колебательный глубокорыхлитель
    
1.3  Анализ теорий по обоснованию параметров колебательных устройств глубокорыхлителей почвы
      Термин «теория разрушения почвы» введен в научную литературу основоположником земледельческой механики академиком В.П. Горячкиным, который отмечал, что если в общей технике разрушенный материал – это отброс (стружка), то в земледелии — цель работы. Крошение достигается при механической обработке почвы с созданием в ней наиболее благоприятных теплового, водно-воздушного, микробиологического и пищевого режимов. Важный показатель качества обработки — гранулометрический состав почвы, так как степень ее дисперсности определяет удельную поверхность частиц, с которой связан весь комплекс физико-химических процессов, способствующих получению высоких урожаев. Кроме того, необходимо, чтобы вся дисперсионно-коллоидная часть почвы находилась в виде водоустойчивых микро- и макроагрегатов, образующих ее структуру [12].
    По данным профессора П.У. Бахтина, высшему качеству обработки почвы соответствует 90–100%-ное содержание комков размером 50 мм и менее 5% пыли, хорошему качеству—70 – 90% комков и 5 – 10% пыли, а удовлетворительному—50 – 70% комков и 10 – 15% пыли [41].
    При работе машин различных типов степень крошения почвы колеблется от 35 до 90%, однако вероятность обработки всего поля с требуемой степенью крошения (например, 70% для отвальных плугов) составляет лишь 20 – 25% из-за широкого варьирования ее физико-механических свойств. Заданное качество предпосевной подготовки почвы достигается дополнительной обработкой вспаханного поля дисковыми лущильниками и боронами, культиваторами, катками и другими орудиями. При этом резко возрастают энерго- и трудозатраты. Из-за низкого качества крошения КПД большинства почвообрабатывающих машин не превышает 0,5–0,7 [41].
    Высокая энергоемкость серийных машин объясняется тем, что почва разрушается ими в основном за счет деформации сжатия, которая требует усилий в 10–20 раз больше, чем деформация растяжения. Кроме того, по данным А.С. Кушнарева, при обработке почвы неизбежно образуются переуплотненные глыбы, на разрушение которых затрачивается дополнительная энергия [18].
    Научные основы теории взаимодействия рабочих органов с почвой, разработанные В.П. Горячкиным, изложены им в фундаментальных трудах «Общая теория орудий», «Рациональная формула силы тяги плугов», «Теория клина», «Теория разрушения почв» и др. [12]. В них указывается, что рабочие органы большинства почвообрабатывающих орудий можно свести к двух- и трехгранному клину, который в общем случае служит для разрушения и перемещения почвы. Поэтому в основу теории взаимодействия рабочих органов с почвой положены теория клина и теория разрушения почвы.
    Значительный вклад в развитие вопросов разрушения почвы и возникающих при этом сопротивлений внесли ученые М.X. Пигулевский, Г.И. Покровский, В.А. Желиговский, М.Е. Мацепуро, Г.Н. Синеоков, В. Зене,
М.Л. Николе, Б.А. Кин и др. [7].
    Благодаря исследованиям Н.М. Герсеванова, Н.Н. Иванова,
В.В. Кацыгина, Ю.В. Луканина, В.В. Бородкина, Ю.Ф. Новикова и др. установлено, что затраты энергии на обработку почвы зависят главным образом от характера протекания процессов деформации и разрушения почвогрунтов, а те, в свою очередь, от физико-механических свойств и типа напряженного состояния, создаваемого рабочими органами [7].
    При исследовании процессов взаимодействия рабочих органов с почвой важно установить понятие о почве как среде, которая воспринимает и передает механическое воздействие деформаторов. Многообразие типов почв можно свести к двум основным моделям: дискретной среды и сплошной среды. Свойства макроскопических сред, состоящих из отдельных частиц, изучает статистическая механика, опираясь на законы теории вероятностей и математической статистики. Однако работы в этом направлении, начатые
Г.И. Покровским, не получили дальнейшего развития [18].
    Большинство современных исследователей принимают для почв модель сплошной среды, что позволяет рассматривать напряжения и деформации бесконечно малых объемов, переходя от них к напряженно-деформированному состоянию всего пласта, с использованием методов математического анализа [17].
    Взаимосвязь между разрушением твердых тел и их напряженно-деформированным состоянием устанавливается различными теориями прочности: гипотеза о наибольших нормальных напряжениях Ламэ–Ренкина и о наибольших касательных напряжениях Треска, условием постоянства максимального касательного напряжения Мизеса – Генки, критерием разрушения Кулона — Мора и т. д.[17, 18].
    В.П. Горячкин считал, что для расчета предельного напряженного состояния почвы наиболее приемлема теория прочности О. Мора. Однако экспериментальные исследования показали, что усилие на сдвиг пласта, определяемое уравнением О. Мора, только часть полного сопротивления резанию. Оказалось, что основная часть усилия затрачивается на сопротивление вдавливанию в почву режущей кромки рабочего органа. Как установлено
Г.Н. Синеоковым, в общем случае сопротивление разрушению пласта зависит от размеров отрезаемой стружки, геометрии рабочего органа и скорости обработки почвы [41].
    Плотные почвы разрушаются при меньших скоростях нагружения, а рыхлые выдерживают более высокие скорости. По данным А.Н. Гудкова, сухая бесструктурная почва разрушается при скорости 1,08 м/с, а средней плотности — при 0,87 м/с. Эти данные получены без учета увеличения прочности почвы с ростом скорости нагружения, поэтому значения критической скорости соответствуют наименьшим скоростям, при которых напряжения могут выйти за пределы упругости. Как показывают исследования, большинство материалов, в том числе почвогрунты, с ростом скорости нагружения существенно изменяют свои механические свойства [7].
    В.И. Виноградов и М.Д. Подскребко установили, что с ростом скорости деформации повышается сопротивление разрушению почвы. Это явление некоторые исследователи объясняют сопротивлением жидкой и газообразной фаз, перемещающихся по межагрегатным промежуткам и капиллярам внутри почвы. Но большинство ученых связывают его с увеличением затрат энергии на сообщение кинетической энергии почвенным частицам и на внутренние изменения межагрегатных состояний. Физическую сущность последнего фактора можно выявить на реологических моделях почв [40].
    Представление почвы в виде фазовых моделей, в которых поры между структурными частицами (твердым скелетом) заполнены водой и воздухом, дает основание предполагать у нее наличие упруговязких свойств [18].
    В.В. Кацыгин на основе гидродинамической аналогии определил, что предельная скорость распространения напряжений для почв средней плотности (супесь, суглинок) равна 9,8–15 м/с. По данным Г.А. Деграфа, при плотности почвы 0,9–1,35 МПа и влажности 14,7–22,9% скорость распространения напряжений составляет 6–7,5 м/с. Расчеты В.А. Юзбашева с использованием данных В.И. Виноградова показали: предельная скорость распространения пластических деформаций равна 7–19 м/с[7].
    Сопротивление разрушению почвы увеличивается с ростом скорости нагружения в связи с повышением прочностных характеристик почвы и энергозатрат на ее отбрасывание. Распространение деформаций разрушения с конечной скоростью связано с пористой структурой почвы, заполненной водой и воздухом. При большой скорости приложения нагрузки (удара) в ней возникают деформации твердой структуры и с большой скоростью распространяются упругие деформации, а затем, с меньшей скоростью, деформации вязкопластического течения (разрушения) [17, 18].
    Установленные закономерности позволяют сделать ряд практических выводов и рекомендаций. Так, сухие твердые почвы (однофазные) следует разрушать ударными нагрузками. При обработке монолитных твердых почв активными рабочими органами для снижения энергоемкости необходимо изменить состояние почвы — применить предварительное ее рыхление пассивными р.......................