Закирова статья-1. Уравнения усилий скалывания и излома пласта почвы и других материалов

• Название: Уравнения усилий скалывания и излома пласта почвы и других материалов
• Дата: 08.02.2022
• Размер: 1.73 Mb.
• Имя файла: Закирова статья-1.doc
• Тип: Документы; #354674

УРАВНЕНИЯ УСИЛИЙ СКАЛЫВАНИЯ И ИЗЛОМА ПЛАСТА ПОЧВЫ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ

Закирова Д.А.

Бухарский инженерно- технологический институт, Узбекистан.

В условиях углубления рыночных отношений и перехода на путь самофинансирования перед сельскохозяйственной наукой и практикой возникла реальная необходимость рационального (эффективного) использования земли, повышения её плодородия, защиты почв от эрозии, снижения себестоимости возделывания сельскохозяйственных культур при соблюдении требований экологии окружающей природной среды. Поэтому возникла потребность широкого внедрения в производство новых оптимальных способов и приёмов поверхностной обработки почвы. В связи с вышесказанным, актуальность исследования обусловлена созданием комбинированных машин в целях совмещения операции поверхностной обработки почвы, которая способствует существенному сокращению затрат энергии, труда и времени, а также снижению вредного влияния механической обработки на структуру почвы [1]. Это подтверждается в основных направлениях минимализации обработки почвы, для сокращения интенсивности обработки почвы перед посевом, путём сокращением числа, а иногда уменьшения глубины обработок и совмещения технологических операций путем применения комбинированных машин. Однако внедрение вышеуказанных агрегатов сдерживается отсутствием экономичных надежных и наиболее полно отвечающих требованиям агротехники рабочих органов машин. В настоящее время существующие органы имеют высокую энергетическую ёмкость в процессе рыхления и низкое качество обработки почвы. В связи с этим создание качественно новых рабочих органов является вызовом времени, поскольку данный вопрос недостаточно изучен как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Также форма режущей кромки, рабочей поверхности и дополнительных элементов известных рабочих органов спроектирована без учёта заданных деформаций и свойств почв, что 7 препятствует качественному крошению почвы, а, следовательно, произрастанию семян, росту и развитию растений. Поэтому повышение качества выполнения поверхностной обработки путём обоснования конструктивно-технологических параметров почвообрабатывающей машины является актуальной задачей, составляющей основу данного исследования [2].



Рис. 1. Кривые зависимости угла наклона плоскости скалывания от углов трения тела : 1-для φ₁=30⁰ и Ω₁=40⁰; 2-для φ₂=12⁰, Ω₂=13⁰.

Материал-почва, обладающая углами трени φ₁=30⁰ и Ω₁=40⁰; которая равна минимуму угла резания (около 20⁰) соответствует деформации ƞ=0,1 и удельному сопротивлению чистого сдвига К₁=1000 кГ/м². Эти данные соответствуют среднетяжелым почвам. И дается другой материал с услугами трения φ₂=12⁰, Ω₂=13⁰ с ƞ=0,1. Эти данные соответствуют большинству металлов.

Пусть в обоих случаях снимается пласт с одной закрытой боковой стенкой, то есть n=1, в случае работы корпуса плуга и резца при снятии стружки [4].

Порядок расчета:

По формулам (3) находим a и b.

Вычерчиваем с помощью уравнения (4) кривые зависимости угла Ψ от α; берется угол Ψ₁, который обеспечивает минимум усилия по уравнению (2) (рис. 2). Кривая 1- для почвы и кривая 2-для металлов.

Наносим с помощью уравнения (2) кривые зависимости угла f₁(φ,Ω,α) (рис. 3); кривая _{ }для почвы и на рис. 4 кривая _{ } для металла.

С помощью уравнения (6) изображаем функцию f₂(φ,Ω,_{ },α) (рис. 3 и 4 , кривая 2).

Пользуясь формулой (7), изображаем кривые f₃(_{ },α) (кривая 3 на рис. 4).

Для ƞ=0.1согласно формуле (8), значением P′_под можно пренебречь.

Суммарное усилие по уравнению кривой 4 на рис. 3 и 4.

1-усилие скалывания пласта относительно его подошвы;

2- усилие скалывания пласта относительно его боковой стенки ;

3- усилие подрезания пласта по его подошве ;

4- общее усилие скалывания пласта.

Те же кривые усилий, что и на рис. 3. Но для тела с углами трения φ₂=12⁰ и Ω₂=13⁰.

Из уравнения (1), а также из рис. 3 и 4 вытекает следующее:



Рис.2. Кривые зависимости усилий подрезания и скалывания пласта от угла резания клина для тела с углами резания клина для тела с углами трения φ₁=30⁰ и Ω=40⁰

1. 
   Минимум усилия скалывания пласта находится по экстримему:
   

_{ }=0 (9)

2. 
   С уменьшением относительной предельной деформации (следовательно, с увеличением хрупкости материала) оптимальный угол резаная α_{on } обеспечивающий минимум усилия P_min скалывания пласта, уменьшается.
   

3) С уменьшением относительных размеров пласта (_{ } отношение толщины к его ширине) оптимальный угол _{ } минимума усилия P_min уменьшается.

4) Для взятых материалов (почва с _{ } и _{ } и металл с _{ }

5) _{ } при _{ }) при _{ } минимальному усилию _{ } соответствует оптимальный угол _{ }.

Минимальное усилие скалывания пласта этой же почвы по имеющего размер _{ } и _{ } соответствует минимальному углу _{ } [5].

6) Чем больше оптимальный угол резания, тем меньше относительное увеличение усилия скалывания. Так, в данной почве , с увеличением угла резания от _{ } до _{ } усилие возрастает на _{ } Эти числа экспериментально нашел Э. Н. Попов при вспашке среднесуглинистых почв и размерах пласта _{ } и _{ } .


Рис. 3. Те же кривые усилий, что и на рис. 3, но для тела с углами трения _{ } и _{ }

Если пластинка имеет размеры _{   }, а также _{ } при _{ }, то минимум усилия на один корпус будет (не считая усилия, затраченного на оборот пласта и сообщение ему кинетической энергии, а также на преодоление сил трения по отвалу корпуса плуга) равен _{   }+_{   }+_{   }, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Как видим, усилие подрезания пласта мало даже при _{ } поэтому им можно пренебречь. И приравнивание _{ }. П. Горячкиным имеет практическое основание.

7. 
   Из сравнений кривых на рис. 3 и 4 видно, что общие закономерности скалывания различных материалов, таких как почва и металлы, совершенно одинаковы и подчиняются одним и тем же уравнениям.
   
8. 
   Усилие излома подрезаемого открытого (n=0) пласта определяется уравнением
   

_{ } (10)

Здесь _{ } удельное сопротивление разрыву материала.

Величина _{ } определяется из смещения пласта по оси y и входит составляющей в плечо силы, изгибающей пласт. С и
(10)
зменением угла резания _{ } плечо изменяется, что обусловливает _{ }, как _{ }. Исходя из предпосылки, что область концентрации усилий в пласте, созданных рабочей плоскостью, не смещается по оси y при изменении угла резания _{ }, зависимость _{ } от угла _{ } формулой

η₁=1-_{ } (11)

Величина _{ } есть среднее значение угла наклона к оси касательной в точке O

(см. рис. 1) к кривой, представляющей собой след сечения поверхности излома в вертикальной плоскости xOy[6]. При этом угол наклона к оси x, касательной в точке О, определяется по формуле

_{ } (12)

_{ } (13)





Рис.4. Кривые относительно смещения пласта по нормали ฤ' направлению движения клина: 1-для тела с углами трения ϕ₁=30⁰ и Ω=40⁰; 2-для тела с углами трения ϕ₂=12⁰ и Ω=13⁰





Рис.5. Кривые зависимости угла наклона плоскости излома от угла трения тела:

1-для тела с ϕ₁=30⁰; 2- для с тела с ϕ₂=12⁰

Согласно формуле (12) угол изменяется в следующих пределах: _{ } Поверхность излома в общем изогнута. Уравнение (10) угол _{ } берется как средний между максимальным углом _{ } равным _{ }, и углом Ω, найденным по формуле (12) для данного угла резания α:

_{ } (14)

Рассчитаем усилие излома по уравнению (10), имея материалы, обладающие углами трения _{   } Порядок расчета:

Используя формулу (11), вычерчиваем кривые зависимости _{ } от _{ }(рис. 5). Кривая 1-для _{ } и кривая 2-для _{ }. Задаваясь углом _{ }, по формуле (13) находим _{ } и _{ }, и пользуясь формулой (12), вычерчиваем зависимость _{ } от _{ } (рис. 6). Кривая 1-для _{ } и кривая 2-для _{ }. По полученным данным для любого угла _{ } по уравнению (14) находим угол _{ } и, пользуясь уравнением (10), наносим кривую _{   } и кривая 2-для _{ }. На этом же рис. 7 штриховыми линиями изображением кривые _{ } усилия скалывания (при n=0): кривая 3-для _{ } и кривая 4-для _{ }.

Рис. 6. Кривые усилии разрушения пласта: сплошные-изломом; пунктирные-скалыванием; кривые 1 и 3-для тела с _{ }; кривые 2 и4 – для тела с _{ }

Этот теоретический вывод был экспериментально подтвержден в 1953 г. В. В. Бородкиным.

Из рис. 7 видно, что таких материалов, как среднетяжелые почвы, при близких или равных значениях удельных сопротивлений на сдвиг и разрыв усилия скалывания и излом почти одинаковы при всех угла резания, вплоть до угла _{ }. Поэтому, будут ли данные почвы разрушаться путем скалывания или излома определяется отношением удельного сопротивления сдвига к удельному сопротивлению разрыва. Если _{ }, пласт разрушается изломом. Если _{ }, пласт разрушается скалыванием.

Исходя из многочисленных экспериментальных исследований разрушения почвы, обладающие связанностью (крепкие почвы), разрушаются путем излома (или, как еще принято говорить, отрывом), а малосвязанные почвы разрушаются скалыванием.

Однако из рис. 7 и уравнений (2) и (10) видно, что не только отношением _{ }, но и другими параметрами определяется, будет ли скалываться или изламывается подрезаемый пласт. Учитывая это, следует записать:





Здесь _{ } вычисляются по уравнениям (2) и (1).

Если при данном угле резания _{ }, скалывание и излом равновероятны, что может быть нарушено при увеличении угла_{ } И для углов трения порядка _{   } при _{ } переход отизлома к скалыванию проходить при угле резания _{ }. Для материалов с углами трения около _{ } отношение функции _{ } (рис. 7), особенно для больших углов резания, где этоотношение достигает почти друкратного значения. Поэтому при незначительных отклонениях K₁ от о материал разрушается путем скалывания. При резании металлов углы резания берутся близкие к углам свала материала (70-_{ } Отношение _{ } для этих углов больше отношения _{ }. Металлы в этих условиях резания разрушаются путем скалывания. Мы сравнивали усилия скалывания и излома для открытого пласта. В действительности и при пахоте и снятии стружки с металлов n=1. Однако, если _{ }→ , то по уравнению (5) усилие на боковое скалывание также стремится к нулю. Поэтому такой тонкий пласт соответствует открытому пласту, т. Е. n=0. Возможно, что при _{ } соотношение усилий скалывания и излома несколько изменится, так как по боковой стенке пласт может скаловаться, а по основному сечению разрушаться изломом. Решение этого вопроса может быть найдено путем расчета усилия излома подрезаемого пласта с учетом закрытых боковых стенок.

Но следует ожидать, что найденные соотношения усилий скалывания и излома, сохранятся и для закрытого пласта, когда

_{ }.

Для почв это очевидно, поскольку они обладают большими углами трения и для всех возможных углов резания функция ƒ₁(φ,Ω,α) практически равна функции ƒ₅(φ,α).

Выводы:

Применение принципа, требующего выполнения минимума внешнего усилия ,дало возможность на основе законов механики сопромата количественно рассчитать нужные усилия объяснить многие особенности разрушения материалов, дать пригодные уравнения и формулы для практического расчёта ожидаемых усилий, что крайне важно знать при конструировании рабочих органов, обрабатывающих материал. При известных физико-механических свойств материалов.
Литература .

1. Грячев Л. В. Теория лемещно-отвальной поверхности. Научные труды ИИМСХ.

Вып. 13, Зерноград,1961,317 с.

2 .Пащенко В.Ф., Сыромятников Ю.Н., Храмов Н.С. — Физическая сущность процесса взаимодействия с почвой рабочего органа с гибким элементом // Сельское хозяйство. – 2017. № 3. – С. 33 - 42. DOI: 10.7256/2453-8809.2017.3.24563 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=24563

3 Фиников С. П. Дифференциальная геометрия. Изд Московског университета ,1961,15c

4.Старовойтов С. И. Обоснование параметров почвообрабатывающих рабочих

органов для обработки суглинистых почв. Дисс. на соиск. уч. степени д.т.н., Брянск, 2018, 214 с.

5.Юнусов Р. Г. Обоснование параметров и разработка спирально-пластинчатого рабочего органа комбинированной почвообрабатывающей машины. Дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н., Казань, 2019, 124 с.

6.Вентцель М.К.Сферическая тригонометрия. М. Изд. Геодезической и

картографической литературы, 1948,154 с.
ЗакироваДилором Ахмедовна-старший преподователь кафедры “Основы механики” Бухарского инженерно-технологического института

Телефон[phone] [e-mail]