О качестве работы почвообрабатывающих орудий

Введение

Техническое обеспечение   сельского хозяйства является важным фактором обеспечения стабильных процессов производства продовольствия. Рассматривая технологии обработки почвы, можно отметить, что использование устаревших технологий обработки почвы является одним из факторов снижающих ее плодородность. Актуален вопрос перехода на ресурсосберегающие технологии, главным отличием которых является минимальное воздействие механической обработки почвы [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 26]. Во многих хозяйствах при подготовке почвы, в основном используют механическую обработку почвы [9, 10, 25]. В этом случае значительное место занимают дисковые орудия: лущильник, бороны, плуги. Рабочим органом этих орудий являются круглый гладкий диск, который по своей конструкции очень прост. Преимущества делают эти орудия лучшими, а в отдельных случаях единственно допускаемыми для обработки почвы [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].

Анализируя общие сведения о дисковых рабочих органах отмечаем, что в системе машин, несмотря на достоинства дисковых почвообрабатывающих органов, имеются проблемы связанные с обработкой почвы, требующие решения [18]. Так, при обработке почвы лущильниками с круглыми сферическими дисками можно отметить такие проблемы как не полное подрезание сорняков и пожнивных остатков, не сохранение стерни на поверхности поля, забивание рабочих органов почвенно-растительной массой, сгруживание соломистых и пожнивных остатков перед дисками [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]. Не стоит, забывать про проблему переуплотнения почв машинно-тракторными агрегатами. Отклонение плотности почвы на 0,1…0,3 г/см³ от оптимальной приводит к снижению урожайности на 20…40% [27, 28].

Цель исследования: выявить основные факторы, определяющие эффективность работы дисковых рабочих органов почвообрабатывающих орудий.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующей задачи — определить влияние конструктивных параметров дисковых рабочих органов на качественные показатели обработки.

Объектом исследования являлись технологические процессы обработки почвы.

Результаты и обсуждения

Рассмотрим, какие диски в качестве рабочих органов используются в сельском хозяйстве и как их конструктивные параметры влияют на качество обработки почвы.

Диски изготовляют четырех исполнений (рис. 1, табл. 1); отверстие в дисках может быть квадратным со стороной a или круглым диаметром d.

Рабочие органы исполнения 1
применяют в дисковых лущильниках, лущильниках-сеялках, полевых и садовых боронах. При этом наибольшее распространение получили диски диаметром 450 мм, которыми комплектуют дисковые лущильники и некоторые садовые бороны. Диски диаметром 510 мм применяют в несимметричных дисковых лущильниках и лущильниках-сеялках.

Таблица 1 – Основные сферических дисков с одним отверстием

Дисковые рабочие органы исполнения 1 установлены на дисковой секции лущильника (рис. 2).

Рис.2 – Дисковая секция: 1 – кронштейн; 2 – уголок; 3 – рамка;
4 и 13 – литые фигурные шайбы; 5 – гайка; 6 – контргайка; 7 – плоская шайба; 8 – пружинная шайба; 9 – подшипниковый узел; 10 – шпулька;
11 – диск; 12 – скребок; 14 – ось

Диски исполнения 2 применяют в лункообразователях и приспособлениях для поделки лунок одновременно с пахотой почвы.

Диски исполнения 2 закреплены на дисковой батареи лункообразователя (рис. 3).

Рис.3 – Дисковая батарея лункообразователя: 1 – шайба батареи;
2 – шайба; 3 – подшипниковый узел; 4 – втулка; 5 – шпулька; 6 – диск

Диски исполнения 3 диаметром 660 мм изготовляют вырезными и сплошными. Вырезные диски применяют в тяжелых (болотных) боронах, иногда в садовых; сплошные (без вырезов) диски этого же диаметра, как правило, используют в тяжелых боронах, иногда в садовых.

Вырезные диски исполнения 3 установлены на оси дисковой батареи (рис. 4).

Рис.4 – Дисковая батарея: 1 – вырезной диск; 2 и 3 – кронштейны;
4 – специальная шайба; 5 – ось; 6 – хомут; 7 – кронштейн; 8 – чистик;
9 – шпулька; 10 и 12 – соответственно выпуклый и вогнутый упоры;
11 – подшипниковый узел; 13 – пружинная шайба; 14 – внутренняя шайба

Диски исполнения 4 применяют в обычных лущильниках, предназначенных для работы в районах, подверженных ветровой эрозии.

В дисковых плугах используют сферические диски с четырьмя отверстиями, с помощью которых их крепят к подшипниковым узлам. В отличие от дисков, используемых в дисковых лущильниках и боронах, диски плугов имеют внутреннюю заточку (рис. 5).

Рис.5 – Рабочий орган дискового плуга

Сферические диски с внутренней заточкой укрепляют на дисковые плуги (рис. 6).

Рис.6 – Навесной плуг ПНД-4-30: 1 – рама; 2 – дисковый рабочий орган; 3 – чистик; 4 – навесное устройство; 5 – колесо; 6 – предплужник

Основными геометрическими параметрами дисков служит диаметр D и радиус кривизны r [9]. С ними взаимосвязан угол ε₁, равный половине центрального угла дуги диаметрального сечения диска (рис. 7). Каждый из этих параметров имеет технологическое значение. С увеличением диаметра диска D резко возрастает вертикальная слагающая реакции почвы, вследствие чего ухудшается заглубляемость его в почву. Поэтому для заглубления дисков большого диаметра требуется дополнительная нагрузка в виде массы орудия или балласта. Следовательно, диаметр диска должен быть минимальным из допускаемых по условиям работы. Диаметр диска зависит от заданной максимальной глубины обработки почвы a и должен быть по крайней мере больше удвоенного ее значения. Практикой выработаны определенные соотношения между D и a:

                                                   ,                                                   (1)

где           – коэффициент, равный 3…3,5 для плугов, 4…6 для борон и 5…6 для лущильников.

Рис.7 – Основные параметры диска

Радиус кривизны r определяет крошащую и оборачивающую способности диска. Чем меньше радиус кривизны, тем интенсивнее крошится и оборачивается пласт. Как видно из рисунка 7, между D и r существует определенная зависимость:

                                               .                                              (2)

Следовательно, задавшись двумя параметрами, третий необходимо определить по формуле (2). Основные параметры дисков стандартизированы. Согласно ГОСТ 198-59, для плоских дисков можно принимать диаметры 250, 300, 350, 400, 450, 510, 610, 660, 710, 760 и 800 мм. Дисковые плуги снабжают дисками диаметром 610…810 (прицепные) и 580…710 мм (навесные); лущильники – 450…610; бороны – 450…660 мм; игольчатые диски изготавливают диаметром 350, 450 и 520; диски копачей – 680 мм.

Угол ε₁ принимает значения: для плугов 31…37°, лущильников 26…32° и борон 22…26°.

Большое влияние на технологические свойства диска оказывает его заточка. Она характеризуется прежде всего углом заточки или заострения i, а также связанным с ним задним, затылочным углом или углом зазора ε₂. Диски затачивают с выпуклой, наружной стороны, принимая угол заточки i = 10…20° для борон и лущильников и 15…25° для плугов. Диски, предназначенные для работы на твердых почвах, затачивают с внутренней стороны.

Так как лезвие диска имеет форму окружности и постоянный угол заострения, то фаска имеет форму усеченного конуса, образующие которого наклонены к плоскости основания под углом ω = i + ε₁, где ε₁
– передний угол, равный половине центрального угла дуги диаметрального сечения диска (рис. 7). Кроме того, различают еще угол резания α = i + ε₂.

В процессе работы каждый диск вырезает в почве пласт (стружку), образуя желобчатое дно борозды (рис. 8). Между желобами образуются гребни высотой h. По высоте этих гребней судят о качестве обработки почвы [9]. Высота гребней h зависит от диаметра диска D, расстояния между дисками b и угла атаки θ. Так как из трех перечисленных параметров регулируемый лишь угол атаки θ, то целесообразно рассмотреть, какое влияние оказывает изменение его значения на высоту гребней h. Из треугольника OAB (рис. 8) следует, что

или после преобразований

                                         ,

откуда

                      .

Рис.8 – Схема к определению высоты гребней

Имея ввиду, что условию задачи удовлетворяет только второй корень, а также то, что из треугольника EFK сторона   , получим

                                  .                                 (3)

Из выражения (3) следует, что с увеличением угла атаки высота гребней уменьшается. Качество обработки считается нормальным, если h ≤ 0,5 a для лущильников и h≤ 0,4 a
для плугов [9].

Для определения угла атаки θ, обеспечивающего требуемое качество работы дисковых орудий, можно пользоваться номограммой (рис. 9), представляющей собой геометрическое выражение формулы (3) [9].

Порядок определения θ по заданным D, b и h на рисунке 9 показан стрелками. Помимо высоты гребней, другой важный показатель работы дисков – полнота подрезания пожнивных остатков и сорняков. Опытами установлено, что полнота подрезания, помимо угла атаки, зависит еще и от скорости движения. Как показывают исследования, наименьшее количество неподрезанных пожнивных остатков получается при максимальном угле атаки 35°. С увеличением скорости до 2 м/с (7,2 км/ч) число не подрезанных сорняков уменьшается, а с дальнейшим увеличением скорости возрастает.

Рис.9  – Номограмма для определения угла атаки дискового орудия

Глубина хода дисков с возрастанием скорости несколько уменьшается, а с увеличением угла атаки растет. Из этого следует, что на уплотненной и засоренной почве угол атаки θ должен быть максимальным, а на рыхлых малозасоренных почвах его можно уменьшить. Для работы на высоких скоростях дисковые рабочие органы непригодны, так как с увеличением скорости резко возрастает дальность отбрасывания почвы. Целесообразно работать на скорости не более 2 м/с (≈ 7 км/ч) [9].

Основными параметрами дисков являются диаметр и радиус кривизны. Радиус кривизны определяет крошащую и оборачивающую способности диска. К числу установленных параметров относятся: угол атаки и угол отклонения плоскости вращения диска от вертикали. Оба параметра имеют технологическое значение. Диск вырезает в почве пласт, образуя желобчатое дно борозды. Между желобами образуются гребни. По высоте гребней судят о качестве обработки почвы. Помимо высоты гребней, другой важный показатель работы дисков – полнота подрезания сорняков.

Выводы

1.       Эффективное плодородие почв зависит от мощности гумусового слоя, гранулометрического состава почвы, от способа обработки почвы и оценивается получаемой урожайностью сельскохозяйственных культур.

2.       При работе на целинных, залежных землях, а также на стерне зерновых и зернобобовых культур серийные (гладкие) дисковые ножи работают в условиях постоянного резания соломисто-растительных остатков, корней и корневищ. При этом круглые дисковые ножи не обеспечивают качественного резания растительных скоплений перед ножом – растительная масса полностью не защемляется, а смещается в сторону от лезвия.

3.       При лущении стерни повышенной влажности стандартные сферические диски сгруживают соломистые и пожнивные остатки впереди, а междисковое пространство батарей лущильников забивается почвенно-растительной массой, от чего дисковые батареи превращаются в катки и становятся неработоспособными. Кроме того, круглые диски не достаточно хорошо выравнивают и подготавливают поля и не полностью подрезают сорняки в соответствии с агротехническими требованиями.