Обоснование параметров рабочего органа культиватора ОП-8-12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Данный дипломный проект, разработанный по теме «обоснование параметров рабочего органа культиватора ОП-8-12», состоит из пояснительной записки, объемом 62 страниц компьютерного текста и графической части из 9 листов чертежей в формате А1.

В первом разделе дипломного проекта рассмотрены способы обработки и технологические свойства почвы, агротехнические требования к поверхностной обработки почвы и обзор существующие конструкции почвообрабатывающих машин применяемых при культивации почвы. Рассмотрены их преимущества и недостатки.

Во втором отделе проекта определены общие конструктивные параметры почвообрабатывающих машин и параметры рабочего органа культиватора.

В третьем разделе данного проекта рассмотрен технологический процесс изготовления детали конструкции рабочего органа культиватора, где определены выполняемые технологические операции, позволяющее более снизить затраты на изготовление и снизить себестоимость детали. Проведен выбор совокупного оборудования необходимого для изготовления указанной детали.

В четвертом и пятом разделах дипломного проекта рассмотрены вопросы охраны труда и окружающей среды, при выполнений технологического процесса возделывания почвы и при изготовлений детали.

В шестом разделе определен годовой экономический эффект от применения предлагаемого проекта и срок окупаемости конструкции.

В работе были развиты навыки к самостоятельному решению инженерно-технических проблем и задач в области проектирования конструкции почвообрабатывающих машин и технологических процессов, в выборе оборудования и режущего инструмента для получения готовой детали механической обработкой.

При оформлении графической части проекта и альбома технологических карт учитывались требования ЕСКД и ЕСТПП.

Введение

Казахстан является одним из признанных мировых производителей зерна. Основным и ведущим регионом по производству зерна в Казахстане являются северные области страны. Посевные площади зерновых культур этого региона составляют 70% всей пашни страны, а удельный вес посевов зерновых в общей посевной площади - 76%. Пшеница - основная зерновая культура земледелия в этом регионе. На ее долю приходиться 64% посевной площади зерновых и 66% валового сбора. В тоже время, природно-климатические условия Северного Казахстана позволяют наладить эффективное производство и крупяных культур, таких как гречиха и просо.

С целью устойчивого снабжения государства всеми видами продовольственными и улучшения структуры питания населения республики разработана и действует продовольственная программа РК. Обеспечение высоких темпов сельскохозяйственного производства на основе последовательной его интенсификации высокоэффективного использования земельных площадей, всемерного укрепления материально-технической базы, ускоренного внедрения достижении научно-технического прогресса, передового опыта и прогрессивных технологий позволит достичь пропорционального и сбалансированного развития всех отраслей агропромышленного комплекса страны.

Для полного удовлетворения потребностей населения страны в продуктах питания, агроперерабатывающих отраслей в сырье, для подъема всех отраслей сельского хозяйства, важное значение имеет прежде всего развитие производства продукций земледелия.

Реализации потенциальных возможностей возделываемых культур (растений) в получении максимального урожая важную роль играют тип, состояние, свойства почвенной среды и виды, дозы, способы внесения применяемых минеральных удобрений. Неоднородность почвенной среды складывается под действием естественных и агрогенных факторов и проявляется при разных масштабах обследования. Микроварьирование плодородия связано с формированием почвенного покрова под влиянием прежней природной растительности, а более существенная вариабельность - под влиянием физико-химических процессов. Для такого объекта как почвенная среда требуется знание фундаментальных основ ее строения, чтобы иметь возможность управлять процессом обработки (деформации и разрушения) различных почв.

Почвенная среда характеризуется дисперсностью, которая имеет многоуровневую структурную организацию: элементарную, агрегатную и горизонтную. Причем, размер, свойства, форма структурных отдельностей обусловлены соотношением, составом и расположением почвенных частиц и агрегатов, т.е. внутренним строением. Именно внутреннее строение почвы и количественная оценка слагающих ее отдельных частиц и агрегатов, а также характер их взаимосвязи друг с другом характеризуются функциями структуры почвенной среды. Примером связи между структурой и функциями почвы является ее прочность (сопротивление внешним механическим воздействием на нее). Прочностные характеристики почвенной среды, в конечном итоге, зависят от ее фазового состава: твердого, жидкого, газообразного, а также их отношений (К). Представленная четырьмя составляющими, почвенная среда определяется неоднозначно. Различные соотношения составляющих позволяют рассматривать почвенную среду как объект со свойствами от сыпучей средыдо твердого тело.

Известно, от способа и качества обработки почвы в значительной степени зависят урожайность сельскохозяйственных культур, сохранение и приумножение ее плодородия. В связи с этим, на основе изучения почвенно-климатических характеристик зоны Северного Казахстана, а также анализа конструкции и показателей работы известных машин и орудии, необходимо разработать технологию для минимальной и влагосберегающей технологии. Ее можно реализовать с помощью универсального почвообрабатывающего орудия, которое может обеспечить качественное рыхление уплотненных и подверженных ветровой и водной эрозий почв без оборота пласта, разрушить уплотненные горизонты почвы, повысить влагонакопление.

Разработка рациональной конструкции почвообрабатывающего орудия для сплошной минимальной обработки почвы и обоснование его оптимальных параметров возможно, если эти работы опираются на научно-теоретическую базу. Однако существующее теоретические исследования взаимодействии почвы с рабочими органами машин и орудии не в полной мере отражают физику процесса, не обоснованы их методология и методика их применение. Попытка использования разрозненных сведений для обоснования конструкции и параметров не дают желаемых результатов. В связи с этим возникает необходимость разработки теоретико-методологической основы взаимодействия почвообрабатывающего органа с почвой.

1. Общая часть

1.1 Способы обработки почвы и агротехнические требования предъявляемые к ним

В зависимости от глубины хода рабочих органов и выполняемых операций различают основную, поверхностную, мелкую и глубокую обработки почвы.

Основная обработка - это обычно первая, наиболее глубокая (20-30 см) обработка почвы после уборки предшествующей культуры. Ее проводят плугом с оборотом и последующим рыхлением почвенного пласта. Почву, подверженную ветровой эрозии, рыхлят без оборота пласта на глубину 25...30 см культиваторами-глубокорыхлителями. Основная обработка существенно изменяет сложение почвы, т. е. соотношение и взаимное расположение почвенных агргатов.

Поверхностная обработка проводятся на глубину 9 см ранней весной, перед и после посева для разрушения почвенной корки и рыхления.

Мелкую обработку проводят на глубину 8...16 см при уходе за парами, после вспашки и перед посевом.

Глубокая обработка - это специальная обработка почвы на глубину более 24 см для углубления пахотного слоя и предотвращения водной эрозии.

Системы обработки почвы - это совокупность научно-обоснованных приемов обработки почвы под культуры в севообороте. В зависимости от почвенно-климатических условий и технологии возделывания растений применяют отвальную, безотвальную и ярусную системы.

Отвальная система предусматривает оборот почвенного пласта, что обеспечивает заделку пожнивных остатков, семян сорняков и возбудителей болезней в нижние слои пахотного слоя. При этом пожнивние остатки быстро разлагаются аэробными микроорганизмами с образованием растворимых минеральных соединений, а сорняки, личинки вредителей и возбудители болезней погибают. Отвальную систему широко применяют в районах достаточного и избыточного увлажнения.

Безотвальная система исключает оборот почвенного пласта; его заменяют глубоким рыхлением с сохранением стерни, защищающей почву от веторовой эрозии. Эту систему обработки применяют в степных районах, где проявляются эрозионные процессы, а также в районах недостаточного увлажнения как способ накопления и сохранения влаги в почве.

Ярусная система сопровождается дифференцированной обработкой верхнего, среднего и нижнего слоев почвы, имеющих явно выраженное ярусное строение. Например, при обработке солонцов верхний слой оборачивают, а второй и третий - рыхлят и перемешивают.

В зависимости от числа обработок различают интенсивную, минимальную и нулевую систему обработок.

Интенсивная система включает несколько технологических процессов при подготовке почвы к посеву, сопровождается многократными проходами агрегатов, уплотнением и рыхлением почвы.

Минимальная система предусматривает сокращение количества обработок и их глубины, совмещение и одновременное выполнение нескольких технологических процессов за один проход агрегата. Ее применяют в различных районах, чтобы снизить уплотнение почвы движителями тракторов и колесами сельскохозяйственных машин, а также сократить сроки подготовки почвы.

В некоторых случаях обрабатывают не всю поверхность поля, а только узкие полосы, в которые затем высевают семена. Такая обработка почвы называется нулевой. Обработка почвы, сопровождаемая покрытием ее поверхности остатками возделываемых растений, называется мульчирующей.

Обработка почвы с образованием на поверхности пашни водозадерживающего микрорельефа или оставлением и сохранением ветрозадерживающих пожнивных остатков называется противоэрозионной.

Технологические процессы - это приемы обработки почвы, сопроваждающиеся однократным воздействием на почву почвообрабатывающих машин одного наименования. К ним относятся вспашка, боронование, лущение и дискование, культивация, фрезерование, прикатывание, чизелевание, плоскорезная обработка, бороздование, шлейфование, лункование. Большинство процессов сопровождается выполнением одновременно нескольких технологических операций, из которых одна или две являются главными, а остальные - соутствующими.

К основной обработке почвы предъявляются следующие агротехнические требования:

- оптимальная влажность, %, - 60;

- количество фракций размером 3-10см, %, - 80-90;

- допустимые отклонения средней глубины, см:

При обработке 8-16см ±1;

При обработке 23-30см ±2;

- максимальные отклонения глубины рыхления от заданной, см - 4-5;

- сохранение стерни, %, не менее:

При мелкой обработке 85;

При глубокой обработке 80;

- подрезание сорных растений, %, 100.

К предпосевной обработке почвы предъявляются следующие агротехнические требования:

- отклонение средней глубины обработки от заданной, см 1;

- высота гребней и глубина борозд, см 4;

- подрезание сорных растений, % 100.

Технологические операции - однократное воздействие рабочих органов одного наименования сопровождающееся изменением сложения или состояния почвы.

Виды технологических операций - резание почвы, отделение пласта, подъем пласта, рыхление, уплотнение, перемещение, перемешивание, оборот и подрезание сорняков.

Технологические процессы обработки почвы - это приемы обработки, сопровождающиеся однократным воздействием на почву почвообрабатывающих машин одного наименования.

Система обработки почвы - это совокупность научно-обоснованных приемов обработки и порядок их выполнения под культуры в севообороте от вегающих агротехническим требованиям.

Системы обработки почвы:

в зависимости от почвенно-климатических условий и степени воздействия на почву отвальная, безотвальная, комбинированная;

в зависимости от числа обработок - интенсивная, минимальная и нулевая;

в зависимости от наличия на поверхности почвы измельченных остатков растений, стерни и элементов водозадерживающего микрорельефа - мульчирующих и противоэрозионная;

система обработки почвы под конкретную культуру или группу родственных культур, для зоны, для хозяйства.

Поверхностная обработка - механическое воздействие почвообрабатывающими орудиями и машинами на поверхность почвы и нижележащий слой до 8 см.

Мелкая обработка - механические воздействие почвообрабатывающими орудиями и машинами на поверхность почвы и нижележащий слой до 18 см.

Основная цель поверхностной и мелкой обработки - создать благоприятные почвенные условия для развития и роста культурных растений и высокопроизводительного исполнения технологических средств.

Поверхностная и мелкая обработка необходимы для разрыхления поверхностного слоя, выравнивания уплотнения и профилирования поверхности, вычесывания или подрезания сорняков, заделки в почву удобрений, растительных остатков и семян сорных растений, накопления и сохранения влаги.

Мелкая обработка почвы с сохранением стерни - обработка почвы машинами с плоскорежущими рабочими органами на глубину 6…14 см осенью после уборки урожая, весной перед посевом на глубину 6…12 см и паров на глубину 8…14 см в весенне-летний период, а максимальным сохранением стерни и других пожнивных остатков.

Основные приемы поверхностной и мелкой обработки почвы - послеуборочное и ранневесеннее боронование, лущение и дискование, культивация и мелкое плоскорезное рыхление, прикатывание, выравнивание, бороздование, лункование, гребневание, грядование и др.

Культиваторы для сплошной обработки почв - применяют для уничтожения сорняков, рыхление почвы при подготовке к посеву и обработке паров.

Предпосевная культивация - обработка непосредственно перед посевом проводится на глубину заделки семян, последок предыдущей обработки или под углом к ней.

Обработка пара (парового поля) - обработка свободного от возделывания культур поля в период времени после уборки предшествующей культуры до конца лета следующего года.

В зависимости от сезона (периода) проведения работ различают виды поверхностной и мелкой обработки:

послеуборочная обработка;

ранневесенняя обработка;

обработка в период ухода за посевами;

обработка в период парования (ухода за парами);

обработка в период ухода за лучами и пастбищами.

Типы машин для обработки почвы:

машины для основной обработки;

машины для поверхностной обработки;

машины для мелкой обработки;

машины для специальной обработки;

машины для ярусной обработки;

машины для отдельных приемов обработки;

машины для обработки почв подверженных эрозии.

Типы машин для поверхностной обработки - культиваторы - плоскорезы широкозахватные навесные, полунавесные культиваторы и прицепные орудия для предпосевной обработки почвы.

Основные сборочные единицы культиваторов:

рабочие органы - универсальные стрельчатые и рыхлительные лапы, зубовые боронки или катки;

вспомогательные органы - моноблочные и секционные маркерные рамы, прицепные устройства, опорно-установочные колеса, грядили (рамки) рабочих органов, приспособления для навески борон или катков;

гидравлическая система;

механизмы - перевод культиваторов в работе в транспортное положение подъема и опускания секций, регулировки глубины и равномерности заглубления рабочих органов.

дополнительное рабочее оборудование - навески для борон или катков.

Рабочие органы:

- универсальные стрельчатые лапы (шириной захвата 270 и 330 мм,

углом наклона лезвия к горизонтальной плоскости 23…30, угол

раствора лезвий 60…65) устанавливают в два ряда на коротких и

длинных подпружиненных грядилях с перекрытием 40…50 мм;

рыхлительные лапы размешают в трех рядах на коротких грядилях по одной, а на длинных при помощи сдвоенных держателей по две.

1.2 Строение и фазовый состав почвы

Под воздействием почвообрабатывающих машин в почве происходят сложные физические процессы, сопровождающиеся изменением ее сложения и свойств. Конечный результат обработки зависит от гранулометрического состава, технологических свойств почвы, конструкции рабочего органа и скорости его движения.

Почва -- не сплошная однородная масса, а трехфазная дисперсная среда, состоящая из твердых, жидких и газообразных частиц, раздробленных и перемешанных между собой. Кроме того, в почве содержатся растительные остатки (корни и стебли растений) и живые организмы растительного и животного происхождения. Почвенные микроорганизмы, разлагая органические остатки, не только обеспечивают минеральное питание растений, Нои участвуют в почвообразовательном процессе, способствуя накоплению гумуса, оказывающее положительное влияние на технологические свойства почвы. От соотношения этих фаз зависят физико-механические свойства и плодородие почвы.

В структурной почве твердые элементы объединены в агрегаты (комочки), принизанные капиллярными порами. Между комочками имеются более крупные некапиллярные промежутки (гравитационные пустоты).

Так как промежутки между твердыми частицами заполнены водой и воздухом, то чем больше в почве воды, тем меньше воздуха, и наоборот.

От соотношения в почве жидкой и газообразной фаз в большой степени зависят ее технологические свойства.

Основные общие характеристики строения почвы - скважность (порозность, пористость) и плотность (объемная масса).

Скважность (пористость) почвы - характеризуется суммарным объемом пустот в почве, заполненных водой и воздухом. Общую скважность определяют по отношению объема пустот в образце к его общему объему, выраженному в процентах. Общая скважность зависит от структуры почвы, так скважность суглинистых и глинистых почв составляет 50 ... 60 %, песчаных 40 ...45 %, торфяных - 80 ... 90 %.

Плотность - определяют отношением массы m абсолютно сухой высушенного образца почвы к первоначальному объему V исследуемой пробы, взятой без нарушения ее естественного сложения. Плотность почвы характеризует ее сложение, т. е. взаимное расположение почвенных агрегатов. Плотность зависит от механического состава, содержания гумуса и скважности почвы. Плотность пахотного горизонта изменяется в широких пределах - от 0,9 до 0,6 г/ см3. Подпахотные горизонты почвы имеют более высокую плотность - 1,6…1,8 г/ см3.

Оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства возделываемых растений составляет 1...1,2 г/см3. Плотность 1,55...1,6 г/см3 считается критической, так как в такой почве растения гибнут. Плотность изменяют обработкой и внесением органических удобрений.

Плотность влияет на только на развитие корней растений, но и на водный, воздушный и пищевой режимы. Опыты показали, что для различных видов растений и различных почв существует оптимальные плотности. При уплотнении почвы выше оптимальной плотности урожай снижается, а при очень высоком уплотнении вообще отсутствует. Поэтому плотность почвы считается важным фактором плодородия.

Плотность почвы можно регулировать с требованиями для отдельных видов растений.

Твердая фаза представлена в почве «скелетом» - каменистыми включениями (частицы больше 1мм) и мелкоземом (частица меньше 1мм).

Отношение массы «скелета» к массе мелкозема позволяет определить каменистость, а анализ мелкозема - механический состав почв.

По каменистости почвы подразделяется на следующие категории:

- некаменистую - (содержание камней до 0,5 %);

- слабокаменистую - (0,5...5 %);

- среднекаменистую - (5...10 %);

- сильнокаменистую - (более 10 %) почвы.

Наличие в почве крупных камней (размером более 100 мм) представляет опасность для мобильных машин, особенно почвообрабатывающих и уборочных. Поэтому такие камни из почвы удаляют специальными машинами.

При классификации почв по механическому составу мелкозем условно разделяют на две фракции: «физическую глину» (частицы меньше 10 мкм) и «физический песок» (частицы больше 10 мкм). Почвы с различным соотношением этих фракций получили различные наименования:

- глина (содержащие физической глины более 50 % и физического песка менее 50 %);

- суглинок (50...20 и 50...80 %);

- супесь (20...10 и 80...90 %);

- песок (менее 10 % и более 90 %).

Глинистые частицы содержат цементирующие вещества и обуславливают связность почв, песчаные, напротив, нелипки и не пластичны.

Почвы с высоким содержанием глинистых частиц относятся к тяжелым. Обрабатывать их трудно. Они плохо крошатся, при повышенной влажности при механической обработке они налипают на рабочие органы, а в сухом состоянии откалываются крупными глыбами. Такие почвы хорошо удерживают влагу, но плохо ее поглощают, растительные остатки и органические удобрения разлагаются в них медленно.

Почвы с высоким содержанием песчаных частиц относятся к легким. Они легко крошатся, хорошо поглощают влагу, но плохо ее удерживают, растительные остатки и удобрения разлагаются в них быстро.

Суглинистые и супесчаные почвы по своим свойствам занимают промежуточное положение. Они сравнительно легко крошатся, хорошо поглощают и удерживают влагу, обладают большим плодородием. Лучшими по гранулометрическому составу считаются суглинистые и супесчаные почвы с содержанием илистых частиц (размером менее 0,001 мм) от 10 до 40 %.

Твердая фаза почвы может быть структурной и бесструктурной. Масса структурной почвы разделена на отдельные агрегаты; в бесструктурной почве отдельные твердые элементы залегают сплошной массой. Структурные агрегаты представляют собой комки почвы, состоящие из связанных между собой механических элементов (песка, пыли ила и т.п.) размер и форма агрегатов весьма разнообразны.

В соответствии с ОСТ 70.2.15-73 структурные агрегаты по размерам подразделяются на следующие типы структур:

- глыбистую структура - (размер агрегатов более 10 мм);

- комковатую - (3...10 мм);

- зернистую - (0,25...3 мм);

- пылевидную - (менее 0,25 мм).

Наиболее ценными считают агрегаты размером 1…3мм, так как они отличаются наибольшей водопрочностью, т.е. устойчивостью против размывающего действия воды. Однако и более крупные комочки размером свыше 3 и до 10 мм считаются желательными.

Агрегаты размером менее 1 мм относятся к эрозионно-опасным. Наиболее опасными являются микроструктурные агрегаты и песчинки размером от 00,5 до 0,1 мм. Если в верхнем слое почвы (0...5 см) содержание агрегатов менее 1 мм более 50 %, то при отсутствии живой или мертвой растительности, создаются условия для возникновения водной и ветровой эрозии почвы. Структурные агрегаты влияют не только на плодородие почвы, но и на показатели работы почвообрабатывающих машин и орудий. При обработке структурных почв качество рыхления лучше, а тяговое сопротивление меньше. Частые обработки почвы, а также многочисленные проходы по ней колес тракторов и автомобилей могут привести к разрушению структуры и превращению почвы из структурной в бесструктурную.

Твердые частицы почвы могут соединяться в водопрочные агрегаты (комочки), а последние распадаться на мелкие частицы. Образование и распад агрегатов зависят от многих факторов, в том числе от системы обработки почвы.

Они залегают рыхлым слоем с образованием пустот, что обеспечивает благоприятные условия для роста растений. В зависимости от размеров структурных агрегатов различают глыбистую (размер агрегатов более 10 мм), комковатую (3 ... 10 мм), зернистую (0,25 ... 3 мм) и пылевидную (менее 0,25 мм) структуры.

Структурной считается почва, содержащая более 55 % водопрочных агрегатов размером 0,25...10 мм.

В бесструктурной почве отсутствуют водопрочные агрегаты, а отдельные твердые частицы образуют монолитное строение почвы, затрудняющее перемещение воды, воздуха и развитие корневой системы растений.

Затраты энергии при обработке структурной почвы меньше, чем при обработке бесструктурной.

Основная физическая характеристика твердой фазы - удельная плотность почвы (плотность или удельная масса твердой фазы). Удельной массой почвы называют массу единицы объема твердой фазы (без пор) в абсолютно сухом состоянии, которая определяется, как отношение массы твердой фазы m к ее объему V.

Удельная масса твердой фазы зависит от соотношения входящих в ее состав компонентов. Например: удельная масса глины 2,7, песка 2,65, гумуса не более 1,4 г/см3. Удельная же масса почвы находиться, как правило, в указанном интервале, так как представляет собой средневзвешенную удельную массу компонентов. Так, удельная масса дерново-подзолотистой почвы 2,4…2,6, а торфянной - 1,4…1,7 г/см3.

Жидкая фаза представлена в почве водой или растворами различных веществ ней. В почве различают свободную и связанную воду. Так как связанная воду в процессе механической обработки почвы заметным образом себя не проявляет, а свободная оказывает большое влияние на технологические свойства почв (вязкость, пластичность, липкость и т.п.), то ограничимся рассмотрением последней.

Свободная вода подразделяется на гравитационную и капиллярную.

Гравитационной называют влагу, содержащуюся в крупных пустотах. Сумма сил молекулярного притяжения гравитационной влаги к стенкам пустот меньше, чем сила тяжести содержащейся в них влаги, и, следовательно, такая влага под действием сил тяжести стекает вниз.

Влага, содержащаяся в мелких, капиллярных пустотах, получила название капиллярной. Сила молекулярного притяжения между твердыми элементами почвы и этой влагой больше, чем силы тяжести содержащейся в капиллярах влаги. Поэтому влага в капиллярных пустотах перемещается в любых направлениях и распространяется от более влажных слоев к менее влажным.

Влажность почвы оказывает большое влияние на ее технологические свойства, а следовательно, на качество обработки и расхода энергии. При вспашке глинистых и суглинистых почв в переувлажненном состоянии происходит залипание рабочих органов, разрушение (размазывание) структурных агрегатов, сгруживание почвы; в пересохшем - образуются крупные глыбы и пылевидные элементы, повреждаются структурные агрегаты.

Влажность почвы существенно влияет на ее обработку. Содержание влаги в почве в течение годового цикла изменяется от полного насыщения до минимального, а почва переходит от одной консистенции к другой. Время перехода от полутвердой к твердой консистенции считают оптимальным для механической обработки: почва хорошо крошится, не налипает на рабочие органы, затраты энергии на ее обработку минимальные. Такое состояние почвы называют физической спелостью. Это состояние у подзолистых почв соответствует абсолютной влажности 12... 15 %, дерново-подзолистых -- 12...22, черноземов -- 17...30 %.

Граница влажности почвы, соответствующая физической спелости, с увеличением скорости движения агрегата сдвигается в сторону больших значений. Поэтому при увеличении скорости движения почвообрабатывающей машины почву можно обрабатывать при большей ее влажности.

Газообразная фаза в почве представлена воздухом и другими газами (аммиак, метан и т.п.). Воздух может находиться в почве в свободном и «защемленном» состоянии. Воздух, расположенный в крупных гравитационных пустотах, обычно свободно сообщается с атмосферой. В результате ветра и вертикальных конвективных токов этот воздух непрерывно обновляется, что приводит, как правило, к существенным потерям влаги из рыхлой почвы.

Воздух, расположенный в мелких капиллярных пустотах, часто находится в защемленном состоянии, т.е. оказывается герметический закупоренным с помощью твердых частиц и воды. Защемленный воздух увеличивает упругость и уменьшает водопроницаемость почвы при сжатии почвы под действием рабочих органов почвообрабатывающих машин значительная часть свободного почвенного воздуха переходит в защемленное состояние и накапливает потенциальную энергию, которая, освобождаясь после прекращения сжатия, разрывает связи между почвенными комочками, способствуя хорошему крошению спелой структурной почвы.

1.3 Технологические свойства почвы

Под технологическими следует понимать лишь те свойства почвы, которые проявляются в процессе ее механической обработки и оказывает существенное влияние на закономерности и характер протекания технологического процесса. Следовательно, к технологическим свойствам почвы можно отнести сопротивление ее различным видам деформации (прочность), трение о поверхность рабочих органов и внутреннее трение, липкость, связность, упругость, пластичность, абразивные свойства.

Сопротивления различным видам деформации. Для разработки путей и методов снижения расходов энергии на механическую обработку почвы необходимо знать пределы ее прочности при различных видах напряжений.. Следует отметить, что сопротивление почвы с ненарушенной структурой различным видам деформаций изучено еще не достаточно. Однако для суглинистых почв установлены, например, следующие прочностные характеристики:

Предел прочности при: деформации растяжения - 5…6 кПа;

деформации сдвига - 10…12 кПа;

деформации сжатия - 65 …108 кПа.

Таким образом, наименьший предел прочности отмечен при растяжении, средний - при сдвиге и максимальный - при сжатии. Следовательно, рыхление почвы с минимальным расходом энергии можно добиться путем разрушения связей между отдельными структурными агрегатами с помощью деформации растяжения. Создание рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, основанных на этом принципе, связано с определенными техническими трудностями. Однако известны и отдельные удачные попытки создания рыхлителей с активными и пассивными рабочими органами, разрушающими почвенный пласт по линиям наименее прочных связей между структурными агрегатами, т.е. преимущественно путем деформаций растяжения.

Сопротивление смятию (твердость почвы). Твердость почвы характеризует ее способность сопротивляться внедрению твердого тела. При обработке твердой почвы затрачивается больше энергии, чем при обработке менее твердой почвы. Единица измерения твердости почвы Н/см2. Большинство рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, а также различные опорные поверхности (колеса, гусеницы и т.п.) энергетических, транспортных и рабочих машин при взаимодействии с почвой сминают ее. Поэтому сопротивление почвы смятию служит одной из основных ее характеристик при оценке условий работы не только почвообрабатывающих машин, но и многих других сельскохозяйственных машин.

Для определения показателей сопротивления почвы смятию (твердости почвы) применяют приборы различных типов: ударного действия, со статической нагрузкой, с принудительным перемещением деформатора. Последние получили наибольшее распространение в сельском хозяйстве.

Чтобы определить твердость почвы, сначала измеряют плотномерами силу сопротивления почвы вертикальному внедрению в нее наконечника прибора различной формы (плунжера, конуса, шара, цилиндра), а затем делят эту силу на площадь поперечного сечения внедряемого тела.

В соответствии с ГОСТ 70.2.15-73 показателем сопротивления почвы смятию является «средняя твердость почвы», а приборы для ее определения названы твердомерами.

Твердомер (рис. 1, а) состоит из штанги 1, пружины 2, рукоятки 3, наконечника 4 (плунжера). При нажиме на рукоятки давление через пружину, штангу и наконечник передается почве. При этом сила нажима равна силе сопротивления почвы вдавливанию наконечника (при плавном нажиме) и измеряется по сжатию y пружины, а линейная деформация почвы - по глубине погружения наконечника в почву. Твердомер, оборудованный пишущим устройством, записывает диаграмму y = f (). Зная калибр (жесткость) пружины k, можно от ее деформации у перейти к силе F = ky (рис. 1,б). Как видим, при использовании наконечников различной формы ( но с одинаковой площадью поперечного сечения) различие в силе сопротивления почвы их вдавливанию наблюдается лишь в начальной стадии погружения. После погружения наконечник на 5..6 см сила F становиться практический одинаковой и постоянной. Лишь после прохода наконечниками пахотного слоя сила F снова возрастает, так как на их пути встречаются более плотная «плужная подошва».

Диаграмму твердомера в пределах пахотного слоя можно аппроксимировать двумя прямыми ОА и АБ (рис. 2), характеризующими две фазы деформации почвы. В течение первой фазы ( участок ОА) вследствие с начало упругого, а затем пластического уплотнения почвы под наконечником сопротивлении F растет пропорционально линейной деформации . Конец первой и начало второй фазы характеризуется небольшим переходом (на рис. 2 не показан), в течение которого перед основание наконечника образуется конусообразный нарост из сильно уплотненной почвы (уплотненное ядро). Во второй фазе (участок АБ) почва деформируется конусообразным наростом, который расклинивает ее, смещая в стороны и встречая поэтому постоянное сопротивление. Во второй фазе возрастание деформации не вызывает увеличение сопротивления F и почва «течет», т.е. продолжает деформироваться под действием постоянного давления на нее. Таким образом, деформация почвы становиться функцией не столько нагрузки, сколько времени ее действия.

Первая фаза в несколько раз короче второй, однако имеет большое практическое значение, так как деформация почвы сельскохозяйственными машинами, как правило, не выходит за пределы участка диаграммы (<). Путем обработки этого участка диаграммы получают показатели, характеризующие способность почвы сопротивляться смятию. Согласно ОСТ 70.2.15-73, твердость почвы (Н/см2) определяется по формуле:

(4)

где h - средняя ордината диаграммы твердости, см;

k - масштаб (жесткость) пружины, Н/см2;

S - площадь поперечного сечения плунжера, см2.

Сопротивления деформациям характеризует прочность почвы. При обработке почвы различными рабочими органами она испытывает деформации сжатия, растяжения, сдвига, кручения и их комбинации. Временное сопротивление почвы (до начала ее крошения) при различных видах деформации варьирует в широких пределах. Например, суглинистая почва при абсолютной влажности 21 ... 28 % имеет временное сопротивление растяжению 5 ... 6 кПа, сдвигу 10 ... 12 кПа, сжатию 65 ... 108 кПа. Следовательно, рыхление почвы с минимальным расходом энергии возможно при . использовании рабочих органов, обеспечивающих растяжение почвенного пласта.

Удельное сопротивление почвы является обобщенной характеристикой трудности ее обработки. Коэффициент Кс удельного сопротивления почвы при вспашке определяют измерением тягового сопротивления плуга Р и делением его на площадь поперечного сечения поднимаемого.

Средние (Кс= 3 ... 5Н/см2), среднетяжелые (Кс= 5 ... 7 Н/см2), тяжелые (Кс = 7 .. .12 Н/см2) и очень тяжелые (Кс = более 12 Н/см2).

Коэффициенты удельного сопротивления почвы при культивации, бороновании, прикатывании и других аналогичных операциях определяют делением тягового сопротивления машины на ее ширину захвата.

Эти характеристики почвы используют при выборе ширины захвата машины для агрегатируемого трактора, определении норм выработки и расчете потребности числа и типажа почвообрабатывающих машин.

Однако более обоснованным теоретически, т.е. отражающим физическую сущность процесса смятия почвы внедряемым в нее наконечником, является другой показатель - коэффициент объемного смятия почвы. На основе анализа диаграмм нетрудно установить, что сила сопротивления почвы смятию в пределах первой фазы зависит от линейной деформации почвы , так и от сминаемой площади (площади поперечного сечения наконечника) S и, следовательно пропорциональна объему смятия (вытесненной) почвы V = S. Кроме того, сила сопротивления почвы смятию F зависит и от самой почвы (глинистая или песчаная, сухая или влажная). Если способность почвы сопротивляться смятию выразить коэффициентом пропорциональности q, то F=qV, откуда получаем

(5)

Коэффициент q получил название коэффициента объемного смятия почвы. Он имеет размерность Н/см3 и показывает, на сколько единиц силы (Н) возрастает сопротивление почвы при смятии каждой последующей единицы объема (см3).

Коэффициент объемного смятия имеет следующие значения: для свежевспаханой почвы 1…2 н/см3; для жнивья, паров и лугов - 5…10 Н/см3; для грунтовой дороги - 50…90Н/см3.

Весьма важен для инженерных расчетов предел сопротивления почвы смятию или предел несущей способности почвы (рис. 2, точка А), который обычно характеризуется предельным напряжением смятия (Н/см2):

(6)

Однако изменение площади плунжера изменяет предел несущей способности почвы, т.е. отодвигает критическую точку (точку А) в сторону больших или меньших предельных напряжений. Таким образом, при использовании твердомеров с плунжерами различного диаметра получаются несопоставимые результаты. Характеристикой сопротивления почвы смятию, не зависящей от диаметра плунжера, служит некоторая величина Н (Н/см2), определяемая по формуле:

(7)

где - сила сопротивления почвы смятию, Н;

- линейная деформация почвы в пределах пропорциональности под действием силы, см;

- диаметр плунжера, см.



Рис. 2 Зависимость силы F сопротивления почвы смятию от ее линейной деформации

Смятие почвы требует затрат механической энергии. Затраты энергии на смятие почвы в пределах первой и второй фазы могут быть определены геометрически (рис. 2); они соответственно равны:

(8)

(9)

Подставив в (8) вместо его значение, выраженное через q, S и , окончательно получим

(10)

Из рисунка 2 и выражения (8), (9) и (10) следует, что удельное давление на почву не должно достигать предельных напряжений смятия, так как в противном случае почва будет «течь», т.е. ее деформация станет функцией времени, а расход энергии на единицу линейной деформации возрастает вдвое.

Фрикционные свойства -- трение проявляется как сопротивление скольжению одного тела относительно другого, с ним соприкасающегося (внешнее трение), или одних частиц одного и того же тела относительно других (внутреннее трение). Таким образом, сила трения -- это сила сопротивления, или сила реакции, вызванная действием другой, активной силы, стремящейся создать скольжение поверхности одного тела относительно другого при нормальном давлении. Как и всякая сила реакции, сила трения равна той силе, которая ее возбуждает, но имеет предельное значение, выше которого не возрастает. При изменениях активной силы сила трения может изменяться от нуля до своего предельного значения (0FтрFmах). Максимального значения сила трения достигает при скольжении. В этом случае ее численное значение определяется по формуле Амонтона (1699 г.):

Fтр = f N = N tg , (11)

где N-- нормальное давление, Н;

f и -- соответственно коэффициент и угол трения.

Трение скольжения почвы о поверхность рабочего органа называют внешним. Его оценивают по силе F сопротивления почвы перемещению по рабочей поверхности. Эта сила пропорциональна силе N нормального давления почвы на рабочий орган.

Коэффициент трения почвы -- величина не постоянная. Он зависит от многих факторов, но главным образом от механического состава и влажности. Изменение коэффициента трения в зависимости от механического состава показано на рисунке 3, а. Как видим, коэффициент трения глинистой почвы примерно в 2 раза выше, чем песчаной. Это объясняется тем, что в малосвязных песчаных почвах отдельные песчинки не скользят, а перекатываются по поверхности трения, отчего сопротивление движению и коэффициент трения уменьшаются. Еще большее влияние на коэффициент трения оказывает влажность почвы (рис. 3, б). При низкой влажности от 0 до 8... 10% почвенная влага не прилипает к металлу -- происходит «настоящее», или «истинное», трение, и коэффициент трения f не зависит от влажности почвы (отрезок ab). Увеличение коэффициента трения (отрезок be) при дальнейшем возрастании влажности почвы объясняют возникновением сил молекулярного притяжения почвенных частиц к поверхности металла, которые возрастают с увеличением влажности от 8...10 до 30...45% (в зависимости от механического состава почвы).

И, наконец, если содержание влаги достаточно, чтобы обеспечить непрерывный ее приток к поверхности "контакта почвы с металлом, то она играет роль смазки, и коэффициент трения с увеличением влажности почвы уменьшается (отрезок ей). Для ориентировочных расчетов, т. е. без учета механического состава и влажности почвы, принимают f =0,5 и =26°30'. Фрикционные свойства почвы оказывают большое влияние на процессы ее механической обработки: от 30 до 50 % энергии затрачивается на преодоление вредных сопротивлений, связанных с трением почвы о рабочие поверхности почвообрабатывающих машин и орудий.

Липкость почвы - это способность ее частиц склеиваться и прилипать к рабочим органам, колесам сельскохозяйственных машин и различным телам. Она проявляется двояким образом: как сопротивление при скольжении почвы по поверхности рабочих органов машин (корпусов плугов, лап культиваторов, сошников сеялок и т.п.) и как сопротивление при отрыве находившихся в контакте с ней твердых тел (качения колес, движения гусениц и т.п.). Единица измерения липкости - Н/см2.

Сопротивление скольжению от прилипания определяют по формуле:

(12)

где - коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии нормального давления, Па;

p - коэффициент касательных сил удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением, 1/м2;

S - видимая площадь контакта, м2;

N - сила нормального давления, Н.

Сравнивая выражения (11) и (12), видим, что законы трения и прилипания имеют существенные различия. Прилипание в отличие от трения зависит не только от нормального давления и свойств материала рабочей поверхности, но и от площади контакта и проявляется даже при отсутствии нормального давления.

Степень липкости почвы зависит, главным образом, от ее механического состава (дисперсности), влажности, материала рабочего органа и удельного давления. С увеличением дисперсности (распыла) почвы - липкость возрастает, поэтому глинистые почвы более липкие, чем песчаные; бесструктурные более липки, чем структурные. Липкость начинает проявляться лишь при определенной влажности у распыленной, т.е бесструктурной почв (с нарушенной структурой) липкость проявляется при относительной влажности 40…50%, для структурных - 60…70%.

Поэтому необходимо сохранять и восстанавливать структуру почвы, которая создает оптимальные условия плодородия и снижает залипаемость орудий. Зависимость удельной силы прилипания от влажности для различных материалов представлены на рисунке 4. Как видим, с увеличением влажности липкость сначала возрастает, а затем падает; прилипание к капрону и фторопласту значительно меньше, чем к стали. Поэтому необходимо сохранять и восстанавливать структуру почвы, которая создает оптимальные условия плодородия и снижает залипаемость орудий. При постоянном нормальном давлении липкость с увеличением влажности почвы растет до максимального значения, а затем в результате увеличения толщины водных пленок на поверхности залипания снижается.



Рис. 3 Зависимость коэффициента трения f почвы о сталь: а - от содержания в почве «физической глины»; б - от абсолютной влажности почвы

При определении влажности почвы прилипание и трение действуют совместно. Если при этом почва скользит по поверхности рабочего органа, то оба процесса проявляются одновременно в виде сопротивления ее скольжению:

(13)

где - сила трения почвы по материалу поверхности рабочего органа;

- сила прилипания почвы к материалу рабочего органа.



Рис. 4 Зависимость удельной силы прилипания от абсолютной влажности почвы : 1 - сталь, 2 - капрон, 3 - фтороспласт

Залипание рабочих органов происходит в том случае, когда сумма удельных трения и прилипания почвы к их поверхности оказывается больше, чем предел прочности почвы на сдвиг. Самоочищение наблюдается в том случае, когда сумма сил прилипания и трения почвы о почву (пласта о налипшие частицы) становится больше, чем общее сопротивление налипших частиц скольжению.

Для определения липкости почвы силу, которую необходимо приложить, чтобы оторвать прилипшую к почве стальную пластинку, делят на площадь залипания.

Пластичность и упругость, вязкость и хрупкость -- тоже важные технологические свойства почвы.

Пластичность почвы -- ее свойство деформироваться под действием внешней нагрузки (изменять свою форму без распадения на части) и сохранять эту деформацию после снятия нагрузки. Пластичность зависит в основном от механического состава и влажности почвы и характеризуется числом пластичности, где:

wm -- верхний предел пластичности, т. е. влажность почвы, при которой она расплывается от малейшего сотрясения;

wp -- нижний предел пластичности, т. е. влажность, при которой почва, раскатанная в стержень диаметром 3 мм, начинает крошиться.

Песок непластичен, число пластичности для почв иного механического состава принимает следующие значения: супесь--1...7; суглинок -- свыше 7 и до 17; глина -- более 17.

Упругость противопоставляют пластичности. Под упругостью почвы понимают ее свойство восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки. Следовательно, упругая деформация существует лишь до тех пор, пока на тело продолжает действовать внешняя сила, вызвавшая эту деформацию. Упругость почвы зависит главным образом от механического состава, влажности и задернелости. Относительное значение упругих деформаций почвы может колебаться от 30 до 80%.

Вязкость почвы -- ее свойство медленно деформироваться не только в функции нагрузки, но и в функции времени. Таким образом, деформация вязкого тела зависит не только от нагрузки, но и от продолжительности ее действия. Чем больше продолжительность действия нагрузки, тем больше и деформация. Вязкость почвы связана с явлением взаимного перемещения составляющих ее фаз: твердых частиц, воды и воздуха. Например, при движении трактора по болотистой почве (торфянику) глубина колеи тем больше, чем меньше скорость трактора, и наоборот.

Хрупкость обычно противопоставляют вязкости. Предел прочности хрупких тел не превышает предела упругости или совпадает с ним. Таким образом, в хрупком "теле пластические деформации отсутствуют. Так, например, пересохшие почвы тяжелого механического состава обычно становятся хрупкими, т. е. при разрушении они практически не испытывают остаточных деформаций.

Только в отдельных частных случаях почва может обладать лишь одним из перечисленных свойств, т. е. только упругостью или только пластичностью и т. п. В общем же случае почва -- это упруго-вязкопластичное тело. Однако с изменением тех или иных параметров почвы происходит изменение соотношения или утрата тех или иных ее фундаментальных свойств. Например, при сильном уменьшении влажности почва может утратить свойство вязкости и приобрести свойство хрупкости.

Задернелость и ее влияние на технологические свойства. Почвы целинных и залежных земель, лугов, пастбищ, осушенных болот, торфяников, полей из-под многолетних трав пронизаны многочисленными корнями растений. Мощные крупные корни концентрируются в верхней части пласта в слое от 6...8 до 16...18 см, ниже располагаются, как правило, лишь тонкие мелкие корешки. Почвенный пласт в таких случаях разграничивается на два слоя, резко отличающихся по своим технологическим свойствам. Так, например, верхний задернелый слой зачастую ведет себя как упругое тело, в то время как нижний обладает пластичностью, а иногда может рассматриваться как сыпучий материал.

Установлено, например, что предел прочности на сдвиг задернелой почвы (многолетняя залежь) более чем в 3 раза превышает предел прочности старопахотной почвы (стерня озимой пшеницы) того же механического состава и при той же влажности.

Однако и верхний задернелый слой неоднороден по глубине. Вследствие того, что задернелость почвы с увеличением глубины расположения слоя уменьшается, изменяются и технологические свойства. Так, например, предел прочности задернелой почвы на растяжение а существенно уменьшается с увеличением глубины h взятия пробы (рис. 5,о), соответственно уменьшается и относительное удлинение пробы е, соответствующее пределу прочности на растяжение (рис. 5,6), следовательно, и упругость почвы.

Как видим, задернелость оказывает большое влияние на технологические свойства почвы, поэтому ее необходимо учитывать при характеристике почвы как объекта механической обработки. Характеристикой задернелости почвы могут служить толщина слоя дернины, связность дернины и степень задернения пахотного слоя.

Толщина слоя дернины в зависимости от видового состава растений и продолжительности их произрастания колеблется от 6 до 18 см. Связность дернины определяется путем испытания ее на разрыв. Под связностью дернины понимают отношение усилия, при котором происходит разрыв, к площади поперечного сечения пробы, т. е. максимальное напряжение, или предел прочности на разрыв (Па).

Степень задернения пласта (пахотного слоя) определяют путем взятия проб почвы на глубину пахотного слоя и выделения из них подземной части растений (корней). Выделенные из почвы корешки отмывают, высушивают до воздушно-сухого состояния и взвешивают. Масса подземной части растений, отнесенная к объему взятой пробы, показывает степень задернения пласта (г/дм3). Степень задернения пласта колеблется в широких пределах в зависимости от видового состава и продолжительности произрастания растений. По нашим данным степень задернения почвы составляет: на целине 18...39, залежи до 24, на полях многолетних трав (клевера) двухлетнего пользования 4,5...8 г/дм3.

Абразивность почвы оценивают по содержанию в ней физического песка с большим количеством каменистых включений (размером 0,25...3 мм), являющихся причиной повышенного истирания (износа) рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий и зависит главным образом от механического состава почвы.

Следовательно, общим критерием абразивности почвы можно считать содержание в ней физического песка. Высокая абразивность песчаных почв объясняется преобладанием в их составе кварца -- самого твердого из минералов, образующих почву.

По критерию абразивного износа почвы делят на три группы: с малой (содержание песка до 80 %), средней (80...95 %) и повышенной (95...100 %) изнашивающей способностью. Абразивный износ лемехов при вспашке 1 га почв первой группы составляет 2...30 г, второй группы -- 30...100 г, третьей -- 100...450 г.

1.4 Технологические свойства почвы, как объекта обработки

Почва - многофазная среда, состоящая из перемешанных между собой твердых частиц, воды, воздуха и живых организмов. От соотношения этих фаз зависят физико-механические свойства и плодородие почвы.

Твердые частицы размером более 1 мм относятся к каменистым включениям, менее 1 мм -- к мелкозему. Частицы мелкозема условно делят на две фракции: физический песок (частицы размером более 0,01 мм) и физическую глину (частицы размером менее 0,01 мм). По соотношению этих фракций различают глинистые (содержащие физическую глину более 50 %, песка менее 50 %), суглинистые (50...20 и 50...80 %), супесчаные (20... 10 и 80...90 %) и песчаные (соответственно менее 10 % и более 90 %) почвы.

Механические характеристики почвы определяют ее сопротивление перемещению рабочих органов.

1.5 Обзор конструкции культиваторов для сплошной обработки почвы

Все приемы механической обработки почвы при возделывании сельскохозяйственных культур стремятся создать оптимальные условия для роста и развития растений, т.е. придать почве такое состояние, при котором на глубине обработки она имеет определенную плотность и пористость, обеспечивающие лучшее прорастание семян, лучшие условия для впитывания влаги и сохранение ее от испарения, что в конечном счете позволяет получить высокие урожай.