РОЗДІЛ 2
МЕХАНІКО-ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ҐРУНТООБРОБНИХ МАШИН З ВРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ ЇХ РОБОТИ
2.1. Теоретичні передумови до моделювання взаємодії ґрунтообробних робочих органів з ґрунтом
Взаємодію робочих органів із ґрунтом можна звести до взаємодії твердого недеформуємого тіла з трифазним середовищем (ґрунт складається з трьох фаз: твердої, рідкої і газоподібної), що протікає в просторі і часі. Врахувати всі процеси, що відбуваються при цьому в ґрунті, практично неможливо, тому доводиться обмежуватися невеликим числом показників стану ґрунту, які досить повно характеризують його стан. Механізм будови ґрунту являє собою мінеральні частинки, з'єднані між собою ланцюжками колоїдних частинок, при цьому вільні проміжки заповнені повітрям і водою. Через те, що розміри найбільшого з деспергірованих елементів менше, ніж розміри найменших елементів об'єму, які піддаються деформації, ґрунт можна віднести до квазіоднорідного трифазного середовища [42,74,100,105,115,129,143,177]. Мінеральні частинки прийнято вважати твердою фазою ґрунту, інші елементи утворять пластично-в'язке середовище. Тоді модель ґрунту повинна мати пружно-в'язко-пластичні властивості. У залежності від співвідношення пружних, в'язких та пластичних характеристик при малих швидкостях деформації різні ґрунти будуть виявляти себе по-різному. Але при одноразовому і короткочасному навантаженні ґрунти різного стану можуть виявляти себе однаково.
Велику різноманітність моделей ґрунту [11,31,52,71,105,130,189] можна звести до однієї найбільш розповсюдженої моделі суцільного середовища. Основна перевага подання ґрунту у вигляді моделі суцільного середовища - це можливість розгляду напруги і деформації нескінченно малих елементів об'єму тіла з переходом до пружнодеформованого стану всього тіла. Звичайно, ґрунт має суцільну будову структури і формалізація його у вигляді квазіоднорідного трифазного середовища є значним спрощенням. Але, з іншого боку, цілий ряд вчених, таких як Горячкін В.П. [30], Синєоков Г.Н. [133], Новіков Ю.Ф. [100], Деграф Г.А. [40], Кушнарьов А.С. [74], М.Nickols [186], Vonden Berg [206] вважають, що ґрунт відноситься до складного, але звичайного фізичного тіла, якому властиві закони деформації ідеальних тіл. У даний час немає чіткої теорії обґрунтування форми робочих органів ґрунтообробних машин (розпушуючих, обертаючих чи ущільнюючих) на основі моделювання їх взаємодії з ґрунтом (моделлю ґрунту), незважаючи на велику їхню різноманітність. Проведення досліджень ґрунтообробних робочих органів, в основному, експериментальне. Виключення складають роботи [6,7,60,74,115,122, 126,134,145,186], у яких вивчалася взаємодія елементарних деформаторів із ґрунтом, але питання про вплив форми деформатора на процес розпушування чи ущільнення ґрунту вони не розглядали. Аналогічні роботи, що ведуться в Японії під керівництвом Simili А. [189], спрямовані на моделювання процесу взаємодії робочих органів із ґрунтом на ПЕОМ.
Уперше показники якості роботи ґрунтообробних робочих органів у теоретичному плані були розглянуті в роботах В.М.Буромского [15], О.В.Баукова і Л.Ф.Бабіцького [6], В.І.Корабельського [60], А.М.Панченка [106], А.С.Кушнарьова [74]. Згодом, А.С.Кушнарьовим розроблена теорія технологічного впливу ґрунтообробних органів на ґрунт на основі принципів і методів механіки суцільних середовищ з дослідженням і використанням реологічних властивостей ґрунту [75]. У даних роботах були визначені та обґрунтовані умови руйнування ґрунту перед робочим органом і на основі цього запропонована бічна і поперечна поверхня робочих органів у зоні контакту з ґрунтовим середовищем. Однак практично всі теоретичні положення не дозволяють приймати зонально обумовлюванні однозначні технічні рішення з обґрунтування робочих органів ґрунтообробних машин.
Шлях вирішення поставлених задач може передбачати:
* на першому етапі - з'ясування найбільш істотних параметрів, що впливають на технологічний процес роботи ґрунтообробного знаряддя, та визначення ймовірних шляхів ресурсозбереження в нових технологічних схемах грунтообробних машин;
* на другому етапі - вивчення впливу цих параметрів на якісні та енергетичні показники роботи у конкретних грунтово-кліматичних умовах і прийняття відповідних раціональних рішень щодо зміни технологій та технічних засобів механізації обробітку ґрунту.
Результати проведених досліджень є теоретичними передумовами до характеристики процесу взаємодії робочих органів з ґрунтом, а будь-яка теорія, як писав В.П.Горячкин: "...какова она ни была, дает, по крайней мере, основные величины, которые управляют процессом, а последующие опыты дадут указания, в каком направлении должна быть исправлена теория" [30].
2.2. Аналіз процесу взаємодії дискового робочого органу з ґрунтом
2.2.1. Механіко-математична модель взаємодії дискового робочого органа з ґрунтом
Дискові робочі органи мають широке поширення в конструкціях ґрунтообробних машин. При цьому вони використовуються для компонування дискових машин, або входять до складу комбінованих агрегатів. З огляду на обсяг застосування (до 10 млн. га) дискових робочих органів, доцільно розробити механіко-математичну модель взаємодії диска з ґрунтом з врахуванням умов його використання. Така модель може бути використана для оцінки геометричних параметрів диска при виконанні різних технологічних операцій обробітку ґрунту в конкретних грунтово-кліматичних умовах.
Задачею механіко-технологічних досліджень є розробка механіко-математичної моделі взаємодії диска з ґрунтом, яка дозволяє оцінити його роботу з позицій забезпечення стабільності ходу за глибиною і мінімального питомого тягового опору відповідно до основних технологічних задач.
Рівняння руху матеріальної частинки по увігнутій сферичній поверхні з радіусом сфери R, що рівномірно обертається навколо однієї з осей, у загальному випадку має вид (рис. 2.1) [20,48,58,84,98,153]: