Сельское хозяйство /2.Механизация сельского хозяйства

 

К.т.н. Твердохлебов С.А., студенты Аветисян О.М., Дуков С.А.

        Кубанский государственный аграрный университет

 

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ОРУДИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

 

 

 1. Введение

           В результате сложившейся обстановки в мире связанной с постоянным удорожанием энергоресурсов, вопрос об их экономии стал очень актуален, особенно в сельском хозяйстве. В наше время разрабатывается множество путей решения этой проблемы, одним из таких путей является снижения энергоемкости при обработке почвы, т.к. эта операция является одной из наиболее энергозатратной в сельском хозяйстве.

         Из-за быстрого развития научно-технического прогресса экономия ресурсов должно сопровождаться абсолютно новым взглядом направленным на улучшение качества обработки почвы.

Переход отечественного сельхоз товаропроизводителя на более высокий производственный уровень подразумевает пересмотр проблемы снижения энерготрудозатрат, повышения каче­ства выполняемых технологических операций, эффективности применения современной сель­скохозяйственной техники.

Одним из наиболее перспективных направ­лений но снижению энерготрудозатрат является применение ресурсосберегающих технологий с использованием комбинированных машин и комплексов, увеличение производительности сельскохозяйственных агрегатов за счет опти­мизации конструктивно-режимных параметров используемых орудий.

В связи с тем, что на технологические опе­рации по обработке почвы, как правило, при­ходится до 40% всех производственных затрат, совершенствование технологи и почвобработки является задачей значимой и первостепенной.

2. Способы снижения энергозатрат при обработке почвы

В отечественной и зарубежной научной среде обозначились два основных направления решения проблемы энергоресурсного сбережения при выполнении операций по обработке почвы: снижение тягового сопротивления и разработка широкозахватных комбинированных машин.

Наиболее значимым решением актуальной задачи считаем направление по снижению тя­гового сопротивления почвообрабатывающих машин, поскольку созданию комбинированных широкозахватных машин неизбежно сопутствует проблема увеличения тягового сопротивления орудия.

Степень значимости и природу факторов, определяющих величину тягового сопротивления почвообрабатывающей машины, достаточно про­сто описывает известная рациональная формула В.П. Горячкина :

                          ,H                                        (1)

Где    f - общий коэффициент трения;

G - вес машины, Н;

k - удельное сопротивление почвы, Н/с

a - глубина обработки, м;

b - ширина захвата машины, м;

- коэффициент, учитывающий геометрические параметры и фрикционные свойства рабочих органов почвообрабатывающей машины;

- скорость движения агрегата, м/с.

Анализ научных трудов В.П. Горячкина, В.И. Виноградова, Ю.В. Познякова, Д.С. Пугрина, Г.Н. Синеокова показал, что добиться снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин можно несколькими способами:

Совершенствованием конструкции орудия и снижением его веса;

Совершенствованием геометрии рабочих органов;

Снижением сил трения почвы о поверхности рабочих органов (заменой поверхностей скольжения поверхностями качения; колебаниями рабочих органов).

Подобные решения, несомненно, дают положительный эффект, но они не лишены ряда существенных недостатков.

Оптимизация геометрических параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин под конкретные условия работы, улучшение их антифрикционных свойств направлены на снижение коэффициентов f и  рациональной формулы, что приводит к снижению качества крошения и разуплотнения почвы, усложнению конструкции машины и снижению её надёжности.

Поэтому главенствующей задачей совершенствования почвообрабатывающих машин, в том числе комбинированных, является снижение их тягового сопротивления без значительного усложнения конструкции.

Использование вибрационной и импульсной техники в решении поставленной задачи позволяет по-новому взглянуть на процесс концентрирования энергии во времени и более рационального её расходования при выполнении технологических операций по обработке почвы.

Проблемой применения колебательных контуров на машинах сельскохозяйственного назначения занимались многие учёные и конструкторы. Существующие в настоящее время колебательные контуры по своей сути отличаются видами возбудителей колебаний, которые в свою очередь классифицируются по ряду признаков (рис. 1).

Определяющими условиями применимости конструкции колебательного контура на почвообрабатывающей машине являются: небольшая масса, простота, дешевизна конструкции, а также вибратор, имеющий жёсткую характеристику колебаний, возможность регулирования продольных и вертикальных колебаний.

Гидравлические и пневматические возбуди­тели колебаний склонны к изменению харак­теристик при перемене параметров жидкости или газа (например, при изменении темпера­туры окружающего воздуха), что обусловливает усложнения их конструкции. Электрические возбудители колебаний требуют достаточно мощного источника энергии для обеспечения длительной бесперебойной работы. Механические обладают большой массой и быстро изнашиваются в процессе работы.

Рисунок 1 – Классификация возбудителей механических колебаний

Особое внимание специалисты уделяют применению вибрации при обработке почвы, яв­ляющейся наиболее энергоёмкой операцией современного сельскохозяйственного произ­водства.

Однако в настоящее время наблюдается тен­денция к использованию широкозахватных ком­бинированных почвообрабатывающих орудий. В этом случае процесс применения вибрации в почвообрабатывающих машинах для снижения тягового сопротивления недостаточно изучен и требует новых инженерных подходов.

 

 

  3. Предлагаемое вибрационное устройство

На основании анализа существующих технических средств для обработки почвы нами предлагается новое технические средство вибрационного воздействия (рис. 2).

 Новыми элементами являются, стойка в нижней фронтальной части имеющая направляющую круглого сечения, на которой установлено долото [5,6], при этом на стойкое закреплен винтами кожух, в который установлен соленоид, выполненный в виде катушки c бойком и возвратной пружиной. Стрельчатые лапы закреплены неподвижно в горизонтальной плоскости посредством пазов в кронштейне с резьбовой осью штифтом.

Совокупность новых элементов позволяет долоту и стрельчатым лапам совершать колебательные движения, при этом ударник периодически взаимодействует с корпусом, обеспечивая мелко-амплитудные возмущения, что обеспечивает снижение энергоемкости процесса и улучшение качества обработанной почвы [4].

                        а) вид сбоку                                       б) вид спереди

Рисунок 2 – Вибрационный рабочий орган чизельного плуга ПЧН 3.5:

Устройство для обработки почвы работает следующим образом. Перед выполнением технологической операции устанавливается глубина обработки с помощью механизма регулировки глубины обработки, при этом рабочие органы занимают положение, определенное схемой расстановки с учетом глубины рыхления при заглублении [7,8]. На соленоид поступает электрический ток, величина  которого установлена на регуляторе в зависимости от физико-механических свойств почвы, и боек ударяет по стороне кожуха, после чего, реле-прерыватель прекращает подачу электрического тока и боек под действием силы упругости пружины ударяет по противоположной стороне, и так далее, за счет этого взаимодействия образуется вибрация рабочих органов, которая уменьшает силу сопротивления, устраняет эффект залипания элементов рабочих органов и тем самым повышается качество обработки и снижается энергоемкость.


Схема почвообрабатывающего орудия с электронным возбудителем колебаний направленного действия представлена на (рис. 3).

 Рисунок 3 - Схема почвообрабатывающего орудия с электронным возбудителем колебаний: Fвоз - возмущающая сила; Fy - вертикальная составляющая возмущающей силы; Fx - горизонтальная составляющая возмущающей силы; R - сила воздействия рабочего органа; Ах, Ау - амплитуда колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях; G - вес орудия; V - направление скорости движения.

Подвижность почвообрабатывающего орудия обеспечивается электронным возбудителем колебаний на­правленного действия. Стержень соленоида совершает возвратно поступательные движение в разные сторо­ны и создают возмущающую силу F воз. Почво­обрабатывающее орудие совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях с амплитудами Ах и Ау [2].

4. Выведение уравнения тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем

Для упрощения расчётов принимаем:

– грунт является сплошной упруго-вязкой, изотропной средой, упругость среды проявляется в восстановлении деформаций после разгрузки, вязкость - в том, что деформация развивается с запаздыванием по отношению к приложенному напряжению;

– собственные колебания системы зависят от начальных условий и с течением времени быстро затухают, поэтому рассматривается ре­шение только для установившихся вынужденных колебаний;

– рассматривается плоская, одномерная за­дача;

– грунт активно взаимодействует с рабочим органом по всей толщине обрабатываемого слоя;

– разуплотнение происходит в результате воздействия нормальных нагрузок, возникающих от рабочего органа в горизонтальном и верти­кальном направлениях, без учёта касательных напряжений в почве; почвообрабатывающее орудие не отры­вается от поверхности почвы, так как процесс обработки должен происходить с наименьшими энергопотерями;

– рама и стойки рабочих органов почво­обрабатывающего орудия являются жёсткой конструкцией, т.е. деформации отсутствуют;

– угловыми колебаниями в продольной пло­скости почвообрабатывающего орудия пренебре­гаем, т.е. орудие совершает строго вертикальные и горизонтальные колебания;

– поверхность обрабатываемой почвы при­нимаем ровной, исключающий вертикальные колебания орудия из-за неравномерности ре­льефа поля.

Вычислим значение силы сопротивления, ис­пользуя принятую нами реологическую модель почвы. Для этого все рабочие органы почвообрабатывающего орудия приведём к одной точке О.

Рабочий орган воздействует на почвенный объём V в горизонтальной и вертикальной плоскостях через т. О. При этом сила воздействия R рабо­чего органа будет расходоваться на деформации упругого Спочв и вязкого Ьп0чв элементов. Тогда сила воздействия, вызывающая сопротивление почвенного объёма Rr и RB, равна:

                                             (2)

где    F1, F3 - сила, расходуемая на преодоление упругих сопротивлений

                       почвы, Н;

          F2, F4 - сила, расходуемая на преодоление вязких сопротивлений

                         почвы, Н;

        G - вес почвообрабатывающего орудия, Н;

         Fx, Fy - амплитудное значение возмущающей силы относительно

                      осей Х и Y, Н;

       FT - сила сопротивления протаскиванию почвообрабатывающего

             орудия, Н;

       f - коэффициент сопротивления передви­жению почвообрабаты

           вающего орудия;

       n - количество рабочих органов орудия, шт.

 

Подставим полученные данные в уравнения 1, получим:

                                                                   (3)

      (4)

Окончательно вычислим результирующую тягового сопротивления почвообрабатывающей машины:

                                                                                           (5)

Графическая интерпретация уравнений 3 и 4 даёт график изменения тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия в зависимости от скорости движения при различной глубине обработки почвы (рис. 4).

        теоретическая кривая - - - - теоретическая кривая с вибровозбудителем

Рисунок 4 - Зависимость тягового сопротивления от скорости

движения при различной глубине обработки

5. Краткие выводы

Сравнивая полученные теоретические ре­зультаты изменения тягового сопротивления, можно сделать вывод, что наблюдается за­метное снижение теоретического тягового со­противления почвообрабатывающего орудия с вибровозбудителем.

Рео­логическая модель почвы позволила вывести уравнение тягового сопротивления почво­обрабатывающего орудия с вибровозбудителем направленного действия, что подтверждается графиками.

Использование вибровозбудителя на широкозахватных комбинированных почвообра­батывающих орудиях позволит с наименьшими эксплуатационными затратами использовать сельскохозяйственную технику.

 

 

Литература

1. Пархоменко Г.Г. Определение взаимосвязи качественных показателей технологического процесса глубокой обработки почвы с режимами работы чизеля садово- виноградникового Пархоменко Г.Г., Василенко Н.И., Твердохлебов С.А. В сборнике: Инновационные технологии и технические средства для полеводства юга России, сборник научных трудов 6-й Международной научно-практической конференции. Российская акад. с.-х. наук, Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хоз-ва Россельхозакадемии (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакад.); Ответственный редактор Пахомов В.И.. 2011. С. 21-25.

2. Твердохлебов С.А. Обоснование параметров процесса обработки почвы универсальным рабочим органом по контуру залегания корневой системы плодовых деревьев в междурядьях сада Твердохлебов С.А. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. № 1. С. 33

3. Дроздов С.Н. Использование вынужденных колебаний для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин / Дроздов С.Н. Аширов И.З. Сорокин А. А. Набокина О. Я // Известия Оренбургского государственного аграрного университета № 1(39) /2013

4. Аветисян О.М. Устройство для безотвальной обработки почвы в междурядьях сада: пат. 2523849 Российская Федерация: Твердохлебов А.С., Аветисян О.М., Дуков С.С. ; заявитель и патентообладатель Краснодар Кубанский государственный аграрный университет – № 2013116652/13; заявл. 11.04.2013 ; опубл. 27.07.2014, Бюл. № 21.

5. Светлова Е.А. Устройство для безотвальной обработки почвы Медовник А.Н. Твердохлебов С.А. Пархоменко Г.Г. Светлова Е.А. Утка И.А. патент на изобретения RUS 2486730 28.02.2012

6. Патент РФ № 2557430, 04.06.2014. Медовник А.Н., Твердохлебов С.А., Аветисян О.М., Дуков С.С. Устройство для обработки почвы // Патент России № 2557430. 2014 г.

7. Медовник А.Н. Экспериментальное исследование глубокорыхлителя для обработки почвы в междурядьях многолетних насаждений Пархоменко Г.Г., Медовник А.Н., Твердохлебов С.А. Международный техники-экономический журнал. 2011. №3. С. 76-80

8. Твердохлебов С.А. Параметры процесса обработки почвы универсальным рабочим органом по контуру залегания корневой системы плодовых деревьев в междурядьях сада Твердохлебов С.А. диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кубанский государственный аграрный университет. Краснодар, 2009.