Процеси механізованого обробітку ґрунту

Процеси механізованого обробітку ґрунту можна розділити на прості та складні. До простих відносять ущільнення, розпушування, різання і переміщення ґрунту. До складних – поєднання в одну робочу операцію декілька простих, наприклад, підрізання і обертання скиби при оранці. У результаті поєднання простих процесів отримаємо види обробітку за агрономічною ознакою: оранка, боронування, лущення, коткування, дренування і т.д.

Різання ґрунту можливе з відділенням і без відділення стружки. Різання без відділення стружки відбувається при вертикальному різанні ґрунту дисковими і чересловими ножами плугів, а також щілеутворювачів і дренерів. Горизонтальне підрізання шару ґрунту з відділенням стружки здійснюють лемеші плугів, крила стрілчастих лан культиваторів, ножі планувальників. Різання з відділенням стружки виконують також ножі і лемеші ямокопачів.

Рис.1.4. Схема поперечного перерізу різального інструменту: 1 – лезо, 2 – фаска, 3 – кістяк

У різальному інструменті розрізняють три елементи: лезо, фаски, кістяк.

Раніше вважалось, що у поперечному перерізі загострене лезо є кутом із вершиною с, який утворений гранями ас і вс (Рис.1.4), а за гостроту вважали кут - кут загострення. Дослідженнями встановлено, що при різанні вершина с спочатку згинається, а потім обламується і лезо набуває округлої форми (дуга dе). Дана дуга задовільно апроксимується дугою кола. Тому гостроту леза визначають, не кутом загострювання , а товщиною леза.

Якщо розглянути поздовжнє січення різального інструменту то залежно від кута між напрямком вектора швидкості леза ножа і вектором сил нормального тиску , а також фрикційних властивостей матеріалу, що розрізається (кута тертя ), розрізняють три режими різання лезом ножа:

1. Різання рубкою (рис.1.5, а).
2. Різання з поздовжнім переміщенням без ковзання (0< < ) (рис.1.5, б).
3. Різання з ковзанням ( > ) (рис. 1.5, в).

При різанні рубкою напрям вектора швидкості точки леза V співпадає із напрямом вектора нормальної сили (рис.1.5, а).

а б в Рис. 1.5. Режими різання лезом: а - різання рубкою; б - різання з поздовжнім переміщенням без ковзання; в - різання з ковзанням

У випадку різання з поздовжнім переміщенням значення кута знаходиться у межах 0< < (рис. 1.5, б). Ковзання при наведених значеннях відсутнє, оскільки зсуваюче зусилля N_Тменше від значення максимальної сили тертя:

N_Т= . (1.15)

Різання з ковзанням характерне тим, що зсуваюча сила N_Тдосягає максимального значення сили тертя, що приводить до ковзання різального інструменту ґрунтовим агрегатом (рис. 1.5, в). У такому випадку справедливе співвідношення:

N_Т= . (1.16)

У розглядуваному випадку спостерігається зменшення опору різанню, що пояснюється дією факторів, як кінематичного, так і механічного характеру. Одну з причин цього розкрив В.П. Горячкін. Він показав, що при русі леза у напрямку швидкості дійсний кут загострення буде меншим геометричного кута який виміряється перпендикулярно лезу (рис.1.6).

Академік В.А. Жаліговський також виявив причину зменшення сил опору при різанні ковзанням, яка полягає у кінематичній трансформації форми дуги поперечного перерізу леза. Оскільки при різанні із ковзанням поперечний переріз леза трансформується у дугу еліпса із дуги кола при різанні рубкою (рис. 1.7). Причому, чим більший кут , тим більшим є відношення великої осі еліпса до малої. Що у свою чергу веде до зменшення радіуса кривизни дуги перерізу леза, а, отже і до зменшення товщини леза.

Рис. 1.6. Схема геометричної трансформації кута загострення різального інструменту

а б Рис. 1.7. Схема кінематичної трансформації леза ріжучого інструменту

Суттєвим є також вплив такого технологічного фактору як мікронерівності, що наявні на поверхні загостреного леза, які в процесі різання із ковзанням захоплюють частинки матеріалу і створюють напруження розтягу та зсуву. А оскільки межа міцності більшості матеріалів при розтязі і зсуві є меншою ніж при стиску, то це призводить до суттєвого зниження сил опору різанню.

Розпушення ґрунту – розділення оброблюваного шару ґрунту на окремі структурні агрегати, що супроводжується збільшенням віддалі між ними і щільності ґрунту.

Розпушування ґрунту ґрунтообробними знаряддями проводиться в основному механічним способом, тобто матеріал руйнується під дією робочого органу. Тому якість розпушування зручно оцінювати таким показником, як ступінь подрібнення ґрунту:

, (1.18)

де і - відповідно початковий і кінцевий розмір структурних агрегатів, які складають 50% від загальної маси ґрунту, м.

Існує декілька різновидів механічного розпушування ґрунтів: згин, сепарація, стиск, гравітаційне падіння, розколювання, стирання, удар (рис. 1.8).

Найбільш поширеним способом подрібнення ґрунту є його згин: ріжучий орган у вигляді клина знімає стружку ґрунту, яка рухаючись його поверхнею під дією деформацій згину та зсуву подрібнюється на агрегати певних розмірів. Інтенсивність подрібнення (розпушування) ґрунту залежить від величини кута клина (рис. 1.8, а). Цей спосіб подрібнення покладений в основу роботи лемішних плугів, культиваторних лан, долота плоскоріза.

Для руйнування агрегатів ґрунту використовується спосіб „сепарації” (рис. 1.8, б). Цей спосіб заснований на проходженні ґрунтових агрегатів сепаруючими поверхнями, де розмір вихідного структурного агрегата визначається параметром . Спосіб сепарації знайшов своє застосування у комбінованих агрегатах для передпосівного обробітку ґрунту.

При стискуванні ґрунтові агрегати руйнуються між двома поверхнями (рис. 1.8, в).

Руйнування ґрунтових агрегатів або стружки ґрунту при гравітаційному падінні відбувається за рахунок удару при падінні з деякої висоти h (рис. 1.8, г). Цей спосіб наявний і при роботі лемішного плуга у момент сходження скиби з поверхні полиці і падіння на поверхню поля.

У випадку розколювання, руйнування агрегатів здійснюється розміщеними одна проти іншої гострими гранями робочих органів (рис. 1.8, д).

Руйнування стиранням можна досягти за рахунок тертя ґрунтових агрегатів поверхнею робочого органу (рис. 1.8, е).

Руйнування агрегатів ґрунту ударом відбувається при їх миттєвому контакті з робочим органом (рис. 1.8, є).

а б в г д е є ж Рис. 1.8. Схеми основних способів подрібнення ґрунту

Величина ступеня подрібнення ґрунту різна для кожного із наведених способів. У реальних ґрунтообробних знаряддях часто поєднано кілька із наведених способів, що дозволяє досягти значного зростання ступеня подрібнення (рис. 18, ж). Наприклад, основні ґрунтообробні знаряддя забезпечують таку величину ступеня подрібнення: плуг – 2,5...2,8; культиватор для суцільного обробітку зі стрільчатою лапою - 2,5...4,0; дискова борона – 6...9; зубова борона – 1,8...4; плоскоріз – 2,0...3,5.

Процес вирівнювання застосовують для досягнення необхідної форми мікрорельєфу поля після оранки. Для цього застосовують пристрої – вирівнювачі, які рухаються впоперек борозен отриманих при попередній обробці або під кутом 30-45⁰. Кут атаки вирівнювачів може регулюватись від 0 до 20⁰. Технологічний процес вирівнювання полягає у знятті виступів ґрунту на поверхні поля, переміщенні їх і засипанні у западини. Такий процес здійснюється двохгранним клином із кутом близьким до 90⁰.

Ущільнення поверхні ґрунту чинить двояку дію: вирівнює поверхню поля, а також збільшує щільність ґрунту. Вирівнювання поверхні відбувається за рахунок вдавлювання і руйнування великих за розмірами агрегатів ґрунту. Це явище спричинене концентрацією тиску деформатора на цих агрегатах.

Зростання щільності ґрунту забезпечує:

- створення покращених умов для посіву сільськогосподарських культур за рахунок постійної глибини висіву;

- у недостатньо зволожених ґрунтів ліквідує порожнини між верхніми і нижніми її шарами, забезпечує створення капілярів, що посилює подачу води з нижніх шарів ґрунту до верхніх та сприяє прискоренню проростання насіння;

- ліквідовує явище обривання, зминання і пошкодження коріння насіння, що проросло, у наслідок осідання пухкого ґрунту.

Ущільнення масиву ґрунту відбувається під дією напружень, які виникають у ньому. При цьому зміну щільності ґрунту зручно оцінювати коефіцієнтом ущільнення ґрунту , що являє собою відношення:

= , (1.19)

де і - відповідно щільність ґрунту кінцева та початкова.

Кінцеву щільність ґрунту можна розрахувати за формулою:

= , (1.20)

де , і - відповідно деформація одиничного об’єму ґрунту вздовж відповідних осей координат;

- коефіцієнт збільшення об’єму ґрунту, обумовленого пружними властивостями ґрунту.

Згідно з експериментальними даними пружні деформації ґрунту складають 0,7...3%. А відповідно до допущення про однакове відновлення його об’єму у всіх напрямках значення приймають у межах 1,02...1,09.