Аналіз та розробка пристроїв для експериментального визначення властивостей грунту

Реферат

На тему:

Аналіз та розробка пристроїв для експериментального визначення властивостей грунту

Зміст

Вступ

1. Огляд літератури та патентний пошук

2. Теоретичний аналіз виконання даного технологічного процесу

3. Обгрунтування конструктивних та технологічних параметрів

4. Розрахунок вузлів та деталей на міцність

5. Техніко-економічна оцінка розробки

Висновки

Список використаної літератури

Грунт обробка твердомір

Вступ

Як показує життєвий досвід розвитку будь-якого виробництва, найкращій реалізації кожного процесу сприяють: знання властивостей об’єктів обробки; конкретизація вимог до виду і стану продукту, який одержують у результаті обробки; розуміння суті технологічного процесу, який повинен організуватися відповідно до специфічних властивостей об’єкта обробки.

До числа найважливіших завдань, які стоять перед нами, відносять досягнення стійкого росту сільськогосподарського виробництва, надійне забезпечення країни продуктами харчування та сільськогосподарською сировиною. Для вирішення цих завдань необхідно широко впроваджувати високоефективні засоби механізації на всіх етапах вирощування, підживлювання та збирання сільськогосподарських культур.

Створення високоефективних засобів механізації неможливе без вивчення теоретичних основ роботи сільськогосподарських машин та методів розрахунку їх параметрів. Довгий час машини та знаряддя для сільськогогосподарства створювались інтуїтивно, без якого-небудь наукового обгрунтування.

Наука про сільськогосподарські машини почала формуватись в нашій країні в кінці ХIХ століття. Першим в світі науковцем, який розробив теоретичні та науково-експериментальні обгрунтування конструкцій сільськогосподарських машин був наш співвітчизник академік Василь Прохорович Горячкін. Розроблену ним науку про сільськогосподарські машини він назвав “Земледельчиской механикой”.

Він заснував закони механіки до аналізу робочих процесів сільськогосподарських машин. Ця та інші роботи відкрили широкі можливості для раціональних конструкцій і технічних процесів та основою режимів роботи сільськогосподарських машин.

1. Огляд літератури та патентний пошук

Для визначення твердості грунту використовують прилади – грунтові твердоміри різних конструкцій. Раніше і твердість грунту вимірювали загостреною палицею, яка за формою нагадувала знаряддя з обробітку грунту. З другої половини XIX ст. професор Н. І. Желєзнов запропонував дня визначення твердості грунту використовувати динамометричний лом. Металевий лом із загостреним кінцем мав вимірювальні поділки на загостреній частині. При вільному вертикальному падінні лома з висоти 1 м після заглиблення в грунт визначали твердість грунту й енергетичні потреби для його обробітку. Пізніше було запропоновано багато конструкцій твердомірів, у тому числі копри, лопати-твердоміри тощо. Кожна конструкція мала як свої наукові і практичні переваги, так і недоліки. Найбільше поширення одержав твердомір В. П. Горячкіна, вдосконалений співробітниками Всесоюзного науково-дослідного інституту сільськогосподарського інституту машинобудування. Цей твердомір записує вимірювану твердість грунту па глибині 0-30 см. Маса приладу до 16 кг.

В експедиціях та маршрутних дослідженнях грунтів використовують пружинні твердоміри конструкції І. Ф. Голубєва та Н. А. Качинського масою до 1 кг.

Розрізняють твердоміри, які працюють:

1. Методом вдавлювання;

2. Методом зрізу.

Усі твердоміри працюють за єдиним принципом – вдавлювання вимірювального органа в досліджуваний грунт. Зокрема розглянемо пристрій для випробування грунтів крутним зрізом.

Цей пристрій складається з корпуса (Рис.1.), штанги установленій у корпусі, вимірювальну головку рукоятки, розміщені відповідно на одному з кінців штанги і корпуса, і чотири лопаті, попарно розміщені в одній площині і оснащені пластиною, один кінець якої жорстко зв’язаний з іншим кінцем штанги, на внутрішній поверхні виконані пази, пластина рухомо розміщена у пазах корпуса, одна пара лопатів встановлена без зазору на іншому кінці пластини, а друга – на іншому кінці корпуса з зазором між лопатнями, великим, більшим ніж ширина лопатів першої пари.

Установлюють пристрій нормально до поверхні досліджує мого грунту. За допомогою рукоятки 8 задавлюють грунт на задану глибину штангу 7 з пластиною 10 і лопатнями 11 та 12. При цьому пластина 10 переміщується по пазах 5 і 6 в корпусі 1, а лопаті в зазорі Б між лопатнями 3 і 4.

Аналогічний пристрій з деякими конструктивними відмінностями запропонований: він складається з корпуса 1 (Рис.2.), в ньому розміщені штанги 2, кожна з яких закріплена на одній із лопатів 3, дві паралельні пари телескопічних стаканів 4, розміщені між штангами 2, перпендикулярно до них, пружини 5 розміщені між стаканами 4 вздовж їх вісі, та вимірювальні вузли. Лопаті 3 установлені паралельно друг другу. Кожний вимірювальний вузол, а їх два, виконаний у вигляді пружинного елементу 6, зв’язаного з лопаттю 3, і датчика 7 опору, встановленого на пружинному елементі 6 та взаємодіючого з ріжучими ножами 8, кожний ріжучий ніж 8 виконаний з загостреною кромкою 9 і за допомогою упору 10 встановлений в пазу 11, виконаному у лопаті 3, зв’язаного за допомогою фіксатора 12 зі штангою 2.

Пристрій працює наступним чином :

Прикладаючи зусилля вздовж вісі 2, вдавлюють лопаті 3 в грунт. Стакани 4 запобігають попаданню грунту до пружин 5. Прикладання до штанг 2 перпендикулярно до їх вісі стискаюче зусилля, через лопаті 3 передають його пружнім елементам 6, а через них – ріжучим ножам.

Телескопічне з’єднання стаканів 4, жорстко закріплених на штангах 2, забезпечує паралельний рух лопатів 3 в вертикальній площині в протилежні сторони.

Рисунок 1. Твердомір

Рисунок 2. Пристрій для вимірювання твердості грунту

В даній роботі розглянемоконструктивну схему твердоміра:

Він складається зі штампа 1 (Рис.3.) з отворами, навантажувальної штанги 2 симетричні відносно його вертикальної вісі крильчатки 3 зі штоками 4, розміщені на штампі 1, кожусі 5 з отворами 6 у верхньому торці і розміщені всередині штампу 1 втулки 7, опираючись на опорний підшипник 8. Навантажувальна штанга 2 оснащена зовнішньою трубою 9 з кронштейнами 10, з’єднаними з штоками 4 крильчаток 3, і ручками 11.

Для проведення дослідження на грунті на штамп 1 з піднятими крильчатками, ступенями через навантажувальну штангу 2 передається вертикальне навантаження, а після стандартної стабілізації вимірюється відповідна осадка.

Розрахунок модуля деформації розраховується простим чином:

Після розвантаження штампу, в ході другого занурення при досягненні тиску на нього рівному 0,5Рроб. в грунт проштовхуються діаметрально протилежні крильчатки 3 і за допомогою знімного динамометричного ключа визначають крутні моменти, необхідні для їх прокручування.

При цьому при прокручуванні крильчаток 3 спільно з ними обертаються стакани 7, що знижує тертя верхніх торцевих поверхонь крильчаток 3 об грунт і тим самим підвищує точність дослідження.

Після досліджування, крильчатки 3 виймаються з грунту безпосередньо вертикально переміщенню зовнішньої труби 9, з’єднаною з штампами 4 крильчаток 3, кронштейнами 10.

Рисунок 3.

Твердомір стаціонарний

1. Штамп

2. Нагрузочна штанга

3. Крильчатка

4. Шток

5. Кришка

6. Підшипник

7. Стакан

8. Підшипник

9. Труба

10. Кронштейн

11. Ручки

12. Прокладка

2. Теоретичний аналіз виконання даного технологічного процесу

Під технологічними властивостями грунту необхідно вважати лише ті фізико-механічні властивості, які суттєво впливають на закономірності і характер технологічних процесів, його механічного обробітку.

Технологічною властивістю може бути одна з фізико-механічних властивостей або сукупність декількох. До технологічної властивості грунту відносять: міцність, фрикційні властивості, липкість, пластичність, крихкість і пружність.

Рисунок. 4. Діаграма твердості грунту

Усі твердоміри працюють за єдиним принципом – вдавлювання вимірювального органу в досліджуваний грунт. Перед використанням у твердомір вставляють наконечник конічної форми (конус) з відомою площею вдавлювання (для твердих грунтів – 1 см2 ; для розпушених – 2 см2 ). Твердоміри мають самописці, за допомогою яких записують діаграму зміни сил вдавлювання вимірювального конуса в досліджуваний грунт. За записаною діаграмою зміни сили вдавлювання вимірювального конуса в грунт визначають середню твердість грунту Т за формулою:

[6]

Де h – середня ордината діаграми, см;

GП – жорсткість пружини твердоміра, Н/см;

S – площа вдавлювання в грунт вимірювального конуса, см2 .

На рис. 4 наведено зразок діаграми твердості грунту, записаної пристроєм твердоміра.

На діаграмі є кілька фаз. У першій фазі (ділянка ОА) опір грунту деформації зростає майже пропорційно глибині занурення конуса в грунт до l=lA =5…6 см. Друга фаза АВ є перехідною. Під час заглиблення в грунт вимірювального конуса перед його вимірювальною площиною утворюється конусоподібний наріст з ущільненого грунту – ущільнене ядро. В і третій фазі ВС грунт деформується конусоподібним наростом, який розклинює його, зміщуючи в боки, і зустрічає при цьому постійний опір – грунт “тече”.

Перша фаза у кілька разів менш тривала, ніж третя, однак має важливе практичне значення, тому що в реальних умовах деформація грунту машинами, як правило, не виходить за межі першої ділянки діаграми (менше lА ). Тільки після проходу конусом орного шару крива СВ здіймається вгору, оскільки на своєму шляху конус натрапляє на підорну підошву плуга.

Для характеристики грунту користуються також коефіцієнтом об’єм ного зминання грунту д, Н/см3 , який визначають за формулою:

[6]

Де РА – сила вдавлювання конуса до точки А діаграми, Н;

LА – глибина заглиблення конуса, що відповідає РА, см.

Для свіжозораного грунту коефіцієнт об’ємного зминання дорівнює 1 -2 Н/см3 ,для стерні, парів, лугів – 5-10, для грунтової дороги – 50- 100 Н/см3 .

Коефіцієнт об’ємного зминання грунту можна використати для визначення затрат роботи на процес зминання. Він також характеризує межунісної здатності грунту. Роботу зминання на ділянці ОА (lА ) визначають за формулою:

[6]

Аналогічно визначають роботу зминання в межах текучості грунту на ділянці ВС (див. рис. 1.2).

Теоретично вважають, що на основі діаграми, яку одержують при вдавлюванні в грунт металевого конуса твердоміра, можна використовувати такий приблизний вираз (до початку текучості грунту під тиском):

[6]

Де Р – опір грунту вдавлюванню в нього конуса, Н;

Q – об’ємний коефіцієнт зминання грунту, Н/см3 ;

S – площа основи конуса, або площа зминання, cм2 ;

H – глибина занурення конуса в грунт, см.

Припускають, що сила опору вдавлюванню в нього конуса пропорційна витісненому об’єму грунту:

[6]

Існують конструкції твердомірів, в яких відлік твердості грунту ведуть за шкалою приладу.

На основі даних, одержаних за допомогою твердоміра, Н. А. Качинський поділяє грунти на такі категорії: Р > 10 МПа – злитий; 5-10 МПа – дуже щільний; 3-5 МПа – щільний; 2-3 МПа – щільнуватий; 1-2 МПа – крихкуватий; до 1 МПа – крихкий.

Крім того на твердість грунту значно впливає його вологість з підвищенням вологості грунту його твердість зменшується.

Графік залежності твердості глинистого грунту від вологості

Між твердістю і питомим опором грунту під час оранки існує пряма пропорційна залежність: чим вища твердість грунту тим, більший його питомий опір.

У разі зменшення твердості грунту зменшується питомий опір при його оранці.

Знання цих властивостей грунту дозволяє знайти шляхи і методи зменшення енергоємності його механічного обробітку, правильно розрахувати і спроектувати робочі органи і визначити умови їхнього раціонального застосування. Для цього потрібно знати граничну міцність грунту при його опорі деформаціям різного виду.

При вимірюванні твердоміром твердості грунту необхідно пам’ятати, що твердість грунту методом зрізу необхідно проводити на необхідній глибині. Так для твердоміру який розглядається у даній курсовій роботі, спочатку крильчатки заглиблюють на Рмах, але для вимірювання параметрів необхідно ці крильчатки заглиблювати вдруге, але вже на 0,5Рмах і вже на такій глибині проводити необхідні нам виміри та дослідження.

3. Обгрунтування конструктивних та технологічних параметрів

Для твердоміра розроблено чотирилопатеві крильчатки і при цьому їх є дві для більш точного вимірювання.

На кожен грунтовий агрегат або елементарну частку діє сила R, яка являє собою рівнодіючу нормального тиску Nі сили тертя Fтр. В результаті агрегати і частки грунту зсуваються в напрямку діючої на них сили грунту Rпід кутом φ внутрішнього тертя грунту до нормальної сили N. При цьому безперервно формуються все нові й нові поверхні зсуву, які сягають граничних значень, які дорівнюють сумі сил зчеплення і внутрішнього тертя.

Відповідний й максимальний тиск Ргр називають межею несучої спроможності грунту, яка залежить не тільки від його властивостей, але і від площі контакту. Із збільшенням останньої і Ргр, тобто точно, зсувається більше високого граничного тиску.

Здатність грунту чинити опір зминанню характеризується середньою твердістю:

[6]

Де h – середня ордината діаграми твердоміра;

K – коефіцієнт жорсткості пружини;

S – площа поперечного перерізу плунжера;

Здатність грунту чинити опір зминанню. Максимальне напруження зминання:

[6]

Витрати енергії на зминання грунту визначається за формулою:

[6]

Інакше кажучи, при рівності лінійних деформацій у першій і другій фазах витрата енергії в другій фазі в два рази вища, ніж у першій, тобто витрата енергії на одиницю часу деформації грунту в два рази вища ніж у фазі ущільнення. Про це необхідно пам’ятати при проектуванні опорних поверхонь сільськогосподарських машин. Між параметрами, що характеризують грунт чинити опір зминанню і тяговим органам різних грунтообробних машин спостерігається високий кореляційний зв’язок.

4. Розрахунок вузлів та деталей на міцність

Розрахунок штока на згин і на кручення:

Нехай F=50Н

Рис.

Σ МА=0;

Σ МВ=0;

Для (0<x<56)

Q= – RB= – 39.5 H

M= RB – x= (при х=0) = 0

(при х=56)= -39,5-0,56 = -2,2 Н – м

Для (0<х<76)

M= RB – 56 + RA – (56 + x)

(при х = 0) М = 2,2 + 89,5 – 0,056 = 2,8 Н – м

(при х = 76) М = 2,2 + 89,5 – 0,132 = 9,6 Н – м

Для (0<х<60)

М = – F+ х – RA

(при х = 0) М = – F= -50 Н ∙ м

(при х = 60) М = – F+ 0,06 ∙ 50 = -47 H∙ м

З теорії міцності на згин:

[4]

При умові міцності на кручення:

[4]

5. Техніко-економічна оцінка розробки

Використання даного пристрою дає можливість підвищувати економічність обробки грунтів. Наприклад, для окремих видів грунтів потрібна окрема обробка. Для більш твердих грунтів потрібно виконати більше операцій по обробітку грунту, тобто затратити більше енергії для того щоб вихідний продукт був потрібної якості. Для менш твердого грунту потрібна менша затрата енергії для отримання потрібної якості обробки грунтів.

Для площі земельних угідь які налічують близько 2000 гектарів данні дослідження необхідні. А тому необхідне вимірювання твердості грунтів. Це дозволяє підвищити економічність обробітку грунту.

Так для прикладу для глинистих грунтів, грунтів суглинку та інших твердих та глевких грунтів потрібна одна сила для подолання опору плугу при оранці, яка майже в два рази перевищуватиме силу, яка потрібна для проведення оранки на пухких грунтах, тобто пісчаних та інше.

При дослідженні, перед обробкою грунту, твердості грунту і зняттям необхідних параметрів можна для тих чи інших грунтів призначити необхідні режими обробки глибину оранки, швидкість та інші параметри для того щоб правильно відрегулювати робочі органи, а також для даного агрегату призначити необхідні потужності трактора.

Це зумовлює економію часу і затраченої енергії. А отже підвищує продуктивність і знижує собівартість вихідного продукту.

Висновки

В даній курсовій роботі: “Аналіз та розробка пристроїв для експериментального визначення властивостей грунту” , я на основі досягнутих наук про сільськогосподарські машини висвітив сутність розробки машини для вимірювання твердості грунту методом зрізу, розрахував параметри робочих процесів і органів з врахуванням параметрів обраної машини. Було з’ясовано, що без проведення експериментального визначення властивостей грунту неможливо ефективно розрахувати необхідну потужність технологічної обробки і економічну ефективність. Показники продуктивності і ефективності повинні бути у відповідному балансі. Тобто потрібно створення необхідної продуктивності обробки з використанням чи витрачанням як найменшої кількості енергії. Що дозволить зменшити витрати на вирощування тої чи іншої культури і зменшити собівартість продукції. Економність при застосуванні таких приладів дуже велика. При досліджуванні грунтів ми не витрачаємо ніякої енергії, а натомість ці виміри дозволяють зменшити собівартість вихідного продукту на декілька або навіть до десятка відсотків. А тому такі дослідження необхідні, а особливо у великих господарствах.

Список використаної літератури

1.Кленин Н. И., Сакун В. А. Сельськохозяйственые и мелиоративные машины: Элементы теорий рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов роботы. – 1-е изд. – М.: Колос, 1980 – 671с.

2.Основы проектирования и расчет сельскохозяйственных машин / Л. А. Резников, В. Т. Ещенко, Г. Н. Дьяченко и др. – М.: Агропромиздат, 1991 – 543с.

3.Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Г. Е. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 – 688с.

4.Хайлис Г. А. Основы теорий и расчет сельскохозяйственных машин – К. М.: издательство УСХА, 1992 – 240с.

5.Механіко-технологічні властивості сільсько господарських матеріалів С. С. Яцун, – К.: Мета, 2003 – 448с.: іл.

6.Механіко-технологічні властивості сільсько господарських матеріалів: Навчальний посібник /ред. С. С. Яцуна, – К.: Аграрна освіта 2000 – 243с.: іл.

7.Сільськогосподарські машини. Основи теорії розрахунку. Підручник/ Д. Г. Войтюк, В. О. Дубровін, Г. Д. Іщенко та ін.; За редакцією Д. Г. Войтюка. – К.: Вища освіта, 2005. – 454 с.

8.Сільськогосподарські та меліоративні машини. Підручник/ Д. Г. Войтюк, В. О. Дубровін, Г. Д. Іщенко та ін.; За редакцією Д. Г. Войтюка. – К.: Вища освіта, 2004. – 544 с.

9.Сабликов М. В. сельскохозяйственные машины. Ч.2. основы теории и технологического расчета. М.: 1968. – 296 с.

10.Турбин Б. Г., Лурьє А. Б., Григорьев С. М. и др.. Сельскохозяйственные машины. Теория и технологического расчета. Л.: Машиностроение 1967. – 494 с.


Аналіз та розробка пристроїв для експериментального визначення властивостей грунту