3 Анализ теорий

К числу достижений современной науки и техники, которые могут быть использованы в сельскохозяйственном производстве, относятся различные вибрационные и импульсивные методы интенсификации технологических процессов [ ]. Вибрационные машины не только экономичны, но с их помощью возможно выполнить такие технологические операции, которые не могут осуществить машины с постоянно действующими усилиями [ ]. Академик К. В. Фролов отмечает, что машины вибрационного принципа действия расцениваются сейчас как основа технологии будущего.

Особое внимание специалисты уделяют применению вибрации при обработке почвы, являющейся наиболее энергоемкой операцией современного сельскохозяйственного производства. Значительный вклад в теорию и практику использования эффекта вибрации в технологических процессах, выполняемых сельскохозяйственными машинами, внесли советские ученые – академик И. И. Артоболевский, академики ВАСХНИЛ М. Н. Летошнев, Н. Д. Лучинский, В. А. Желиговский, П. М. Василенко, М. Е. Мацепуро; доктора техн. наук Д. Д. Баркан, А. Н. Гудков, А. А. Дубровский, Г. Н. Синеоков, О. В. Верняев, А. Ф. Ульянов и др. Много вопросов использования вибрации при обработке почвы рассмотрено в работах И. М. Панова, П. П. Карпуши, Г. О. Рябцева, Н. В. Краснощёкова, А. А. Сорокина и др.

Академик И. И. Артоболевский отмечал, что необходимо расширить исследования в области вибрационной сельскохозяйственной техники и, в частности, внести в повестку дня разработку таких проблем, как создание общей теории вибрационного разрушения сплошных сред (почв) и тел (кормовых материалов, теории перемещения вибрационных рабочих органов в сплошных средах), теории вибрационной сепарации сельскохозяйственных материалов [ ].

В. П. Горячкин разработал фундаментальную теорию разрушения сельскохозяйственных материалов ударом. Пусть тело массой m ударяется о среду безграничных размеров со скоростью v, сжатие, равное a=vΔt, происходит за время Δt, в течение которого удар успевает распространиться на глубину l=cΔt (здесь c – скорость распространения удара ) [ ]. Следовательно, в результате удара тело массой m=Saρ под действием импульса силы I=PΔt будет перемещаться со скоростью Δс, т. е.:

(1)

Если принять, что упругое напряжение

= P/S = Ea/l = Ea/(cΔt), (2)

то

Sea/(cΔt)Δt = Saρc, (3)

где S – площадь поперечного сечения тела, м2;

ρ – плотность, тела, кг/м3;

E – модуль упругости, Па.

Из уравнения (1) получим c = - скорость распространения ударной волны ( формула Ньютона ).

А. Н. Гудков отмечает, что для обработки бесструктурных почв желательно применение вибрационного или ударного воздействия рабочих органов (лемехов или их частей) плуга на почву. Для быстрого создания критических напряжений и необходимой степени крошения сухие хрупкие почвы следует подвергать ударной нагрузке или деформации изгиба при небольшой толщине почвенного пласта, т. е. производить обработку хрупких почв с послойным крошением почвенного пласта двугранными клиньями при толщине каждого слоя 4…8 см [ ].

Скорость воздействия рабочих органов почвообрабатывающих машин, а именно скорость удара для получения остаточных удлинений, должна быть больше предельной скорости удара, который может выдержать материал:

, (4)

где – предел пропорциональности, Па;

Е – модуль упругости при сжатии и растяжении, Па;

g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2;

- удельный вес, Н/м3.

Скорость распространения продольных колебаний:

. (5)

В. А. Красильников по данным сейсмических наблюдений установил, что вблизи поверхности земли скорость продольных волн составляет 5,5 км/с [ ].

По данным А. Н. Гудкова, скорость распространения продольных колебаний для бесструктурной сухой почвы спр=1,5 км/с. А. Н. Гудков отмечает, что при ударном воздействии рабочих органов на тело для получения требуемого эффекта необходимо, чтобы продолжительность удара Δt была равна или больше времени, необходимого для распространения волны деформации от места удара до внешней поверхности тела, а при вспашке почвы плугами – до поверхности поля по направлению линии скалывания. Если продолжительность удара меньше этого времени, то пласт почвы не успевает деформироваться и действие удара ограничивается местными разрушениями. Поэтому при ударе сжатие (амплитуда) аі должно превышать предел упругой деформации, для того, чтобы смять (деформировать) тело, и:

. (6)

Если скорость распространения продольных колебаний спр, то продолжительность удара при длине тела l:

. (7)

Для деформации бесструктурных почв, по данным А. Н. Гудкова, продолжительность удара Δt=0,00049 с. Для структурных почв при оптимальной их влажности модуль упругости будет значительно меньше, а следовательно, скорость распространения деформации тоже будет меньше, поэтому необходимая продолжительность удара для структурных почв должна быть значительно больше продолжительности удара для бесструктурных почв.

А. Г. Цымбал с учетом экспериментальных данных о механических свойствах чернозема подчеркивает, что в зависимости от физико-механических свойств почвы эффективна только определенная скорость вспашки, причем эта скорость выше скорости, при которой производят вспашку в настоящее время. Расчеты показывают, что необходимо переходить на скорости вспашки 13…20 км/ч [ ].

Исследованиям пружинных подвесок почвообрабатывающих рабочих органов посвящены работы Г. Н. Синеокова, И. М. Панова, Н. В. Краснощёкова, П. П. Карпуши и Г. О. Рябцева, А. С. Кушнарёва, В. П. Базарова и др. Они рассмотрели научные основы теории и практики применения почвообрабатывающих машин с одно - и двухэлементной упругой подвеской рабочих органов.

Значительный вклад в разработку теоретических основ и практических методов по использованию вибрации в рабочих органах почвообрабатывающих машин внес доктор технических наук А. А. Дубровский [ ]. Он провёл теоретическое обоснование использования вынужденных колебаний для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин. При этом было установлено, что вынужденные колебания, которые передаются рабочей поверхности вибратором, вносят изменения в природный релаксационный автоколебательный процесс разрушения почвы. Путём подбора параметров вынужденных колебаний рабочих органов можно добиться снижения тягового сопротивления орудия. На основе этого разработаны схемы вибрации культиваторных лап с вынужденными колебаниями около вертикальной оси стойки или по ходу орудия, с автоколебаниями вокруг горизонтальной или вертикальной оси на упругой подвеске вследствие неравномерности сопротивления почвы.

Доктором технических наук О. В. Верняевым проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования влияния вынужденных колебаний лап культиватора на агротехнические, энергетические и экономические показатели обработки почвы в районах с недостаточным увлажнением [ ]. По результатам этих исследований разработаны конструкции культиватор в с активными рабочими органами, которые совершают угловые колебания в горизонтальной плоскости. Особенностью исследований О. В. Верняева является рассмотрение процесса вынужденных колебаний культиваторной лапы в совокупности с ударным воздействием на слой почвы.

Глубокие исследования вибрационного воздействия на почву рабочих органов различного типа с принудительным приводом проведены коллективом учёных под руководством доктора технических наук И. М. Панова. Созданы различные типы плугов и культиваторов, рабочие органы которых колеблются при помощи механических, гидравлических, электрических, электромагнитных и пневматических приводов.

Использование вынужденных колебаний рабочих органов с установкой вибраторов усложняет и удорожает конструкцию, снижает её надёжность при эксплуатации, а также увеличивает опасность травмирования обслуживающего персонала. Общие затраты на перемещение рабочего органа и создание вибрации при скорости движения агрегата более 0,25-0,35 м/с превосходят затраты энергии, необходимой для работы органа без вибрации.

С целью устранения указанных недостатков в работе почвообрабатывающих машин проведен комплекс исследований для создания вибрационных рабочих органов без принудительного привода. Результатом этих исследований стал положительный энергетический эффект, который получается при использовании рабочих органов на упругой подвеске. Наиболее широкое распространение получили подвески, состоящие из двух упругих элементов, один из которых – упругая стойка, а другой – цилиндрическая или плоская пружина. Большое количество конструкций подвесок состоит из трёх и более элементов.

Технологические основы применения почвообрабатывающих машин с упругой подвеской рабочих органов глубоко освещены в работах Г. А. Рябцева. Он сделал попытку обосновать параметры упругой подвески рабочих органов на основе изучения основных фаз деформации и разрушения почвы.

В. П. Базаров исследовал процесс взаимодействия с почвой рабочего органа на упругой двухэлементной подвеске с кусочно-линейной характеристикой. Закон движения такой системы описывается уравнением параметрических колебаний, когда коэффициент жесткости изменяется по закону прямоугольного синуса. Режим колебаний системы определяется по диаграмме Айнса-Стретта. Проведенные им лабораторные исследования подтвердили основные положения рабочей гипотезы о положительном влиянии устойчивых колебаний рабочего органа на снижение энергозатрат при обработке почвы [ ].

Р. Мюллер и А. Газелла (Германия) исследовали влияние вибраций на тяговое сопротивление культиваторов и установили, что работа лап обычных культиваторов сопровождается автоколебаниями, возникающими вследствие изменения механических свойств почвы и скалывания пласта и что амплитуда и частота автоколебаний лап зависят от способа их крепления. Ученые пришли к выводу, что наибольшее уменьшение тягового усилия (на 40%) получается при пружинных стойках. Анализируя конструкции вибрационных рабочих органов, следует отметить их преимущество перед пассивными, а именно: увеличение степени крошения почвы и снижение энергоемкости. Тяговое сопротивление данных культиваторов по сравнению с культиваторами, имеющими пассивные рабочие органы, уменьшилось на 30…50%, а налипание почвы на рабочие органы на 39%, срок службы рабочих органов без заточки увеличился в 2…3 раза. Однако имеется ряд недостатков. Рабочие органы, имеющие вибропривод, влекут за собой значительное увеличение металлоемкости и удорожание конструкции в целом. Органы, работающие в колебательном режиме только за счет переменного сопротивления почвы не могут в достаточной степени обеспечить качественную обработку исходя из сложного механического состава почвы. Поэтому введение дополнительно ударного воздействия позволит рабочему органу работать в режиме, соответствующем данному состоянию почвы [ ].

Вопросы теории и практики введения удара в колебательные системы и созданные на базе этого виброударные механизмы широко применяются в промышленности. Фундаментальные основы этих виброударных процессов заложены академиком К. В. Фроловым, докторами техн. наук Е. В. Александровым, В. Б. Соколинским, В. И. Бабицким, А. А. Кобринским и А. Ю. Кобринским.

Ближе всего к теоретическому обоснованию и практической реализации импульсных колебаний рабочих органов почвообрабатывающих орудий подошёл доктор технических наук А. А. Дубровский. Рассматривая процесс воздействия пассивного рабочего органа на почву, он пришёл к выводу, что тяговое сопротивление орудия осуществляет релаксационные колебания с амплитудой и частотой, которые зависят от формы орудия, поступательной скорости движения и плотности почвы. А. А Дубровский отмечает, что нужно создавать вибраторы, которые автоматически настраиваются на оптимальный режим работы в зависимости от величины тягового сопротивления, или в ударном режиме [ ].

4 Перспективы совершенствования виброударных рыхлителей почвы

В научном земледелии система обработки почвы должна выполнять многоплановые задачи: сохранение и улучшение физических свойств почвы, улучшение фитосанитарных условий почвенной среды, создание лучших условий для размножения и деятельности почвенной биоты, прорастания семян, роста и развития растений. Поэтому выбор рационального способа обработки почвы и подбор соответствующего почвообрабатывающего орудия становится важной задачей, возникающей ежегодно перед сельскохозяйственными производителями.

Дальнейшее совершенствование конструкций почвообрабатывающих машин может быть осуществлено на основе анализа динамики орудия. Необходимость выполнения такого анализа обуславливается и дальнейшим повышением скоростей движения пахотных агрегатов, когда условия работы орудий значительно усложняются. Для выполнения анализа движения орудий необходимо обоснованно подходить к выбору их расчетных схем.

Учитывая, что современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют применения, как правило, сложных мобильных машинных агрегатов, первоочередной задачей является математическое моделирование функционирования основных их звеньев и агрегатов в целом. Применение математических методов для анализа технологических процессов и происходящих в них явлений позволит более обоснованно подходить к проектированию рабочих органов и режимов их работы при обработке почвы.

В настоящее время и в ближайшем будущем будет широко использоваться процесс механического воздействия на почву при ее обработке. В направлении интенсификации механического процесса почвообработки следует развивать вибрационное и виброимпульсное воздействие на почву, а также увеличение подвижности почвообрабатывающих органов. Главной проблемой механической обработки почвы является создание динамической связи и автоматического согласования механических процессов в элементах рабочих органов с технологическими процессами почвообработки. Необходимы теоретические основы новых принципов воздействия на почву и синтеза рабочих органов с обратной связью, которые реагируют на изменения свойств почвы и режимов обработки [ ]. В этом аспекте ярким примером служат действующие биосистемы в живой природе, которые являются наиболее оптимальными с позиций энергосбережения и выполнения своих функций. Для решения проблемы механического процесса воздействия на почву с учётом живых биологических аналогов нужно использовать системный подход к обоснованию принципов действия и параметров рабочих органов на основе постулатов общей теории систем с использованием методов бионики, которые дают возможность определить оптимальную форму и геометрические параметры создаваемых рабочих органов почвообрабатывающих машин. Перспективным является использование в конструкциях колебательных и виброударных рабочих органов материалов с изменяющимися в зависимости от внешних воздействий свойствами, что даёт возможность осуществлять их автоматическую регулировку и настраивание на нужный режим работы по аналогии с живыми организмами.

Для повышения интенсивности крошения почвы с одновременной обработкой её магнитным полем следует применять электромагнитные виброударные механизмы. Во время работы электромагнитного виброударного механизма его элементами реализуются упругие, вязкие и пластические свойства почвы. Рыхлительная способность вибромагнитного почвообрабатывающего рабочего органа усиливается вследствие совместного воздействия на почву электромагнитных полей соседних элементов конструкции. Соединение в одном рабочем органе механического поля удара и электромагнитного поля виброударного механизма приводит к появлению нового эффекта в обработке почвы – ударно-магнитного крошения почвы.

Необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении с целью разработки новых конструкций вибромагнитных рыхлителей почвы, в которых в качестве рабочих колебательных элементов использовать постоянные магниты и магнитные жидкости.

Список использованных источников

1. Гордієнко В. П. та інші. Прогресивні системи обробітку грунту/За ред. В. П. Гордієнка. – Сімферополь, 1998. – 280 с.

2. Бабицкий Л. Ф. Біонічні напрямки розробки грунтообробних машин. – К.: Урожай, 1998. – 164 с.

3. Верняев О. В. Активные рабочие органы культиваторов. – М.: Машиностроение, 1983. – 79 с.

4. Дубровский А. А. Вибрационная техника в сельском хозяйстве. – М.: Машиностроение, 1968. – 204 с.

5. Кулен А., Куиперс Х. Современная земледельческая механика./Пер. с англ. – М.: Агропромиздат, 1986. – 348 с.

6. Гончаревич И. Ф. Вибрация – нестандартный путь: вибрация в природе и технике. – М.: Наука, 1986. – 209 с.

7. Гольдман В. Б., Школьников А. Б. Завтра земледельческой техники. – М.: Колос, 1982. – 223 с.

8. Кушнарёв А. С., Кочев В. И. Механико-технологические основы обработки почвы. – К.: Урожай, 1989. – 144 с.

9. Усаковский В. М. Вибрационная техника в сельском хозяйстве. – М.: Знание, 1971. – 31 с.

10.Панченко А. Н. Теория измельчения почв почвообрабатывающими орудиями. – Днепропетровск, 1999. – 140 с.

11.Рябцев Г. А. Технологические основы применения почвообрабатывающих машин с упругой подвеской рабочих органов: Автореф. дис… докт. техн. наук. Воронеж, 1973. - 57 с.

12.Базаров В. П. Обоснование параметров нелинейных упругих подвесок рабочих органов культиваторов./Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. – М.: 1985. – 18 с.

13.Дьяченко Г. Н. Исследование активных рабочих органов культиваторов для работы на повышенных скоростях. К/д, Ростов-на-Дону, 1964 г.

14.А. с. 828994 СССР, МКИ А 01 В 35/22. Почвообрабатывающий рабочий орган. -Опубл. 15.08.90. - Бюл. №30.

15.Пат. 2922610 ФРГ, МКИ А 01 В 35/12. Почвообрабатывающий рабочий орган. -Опубл. 23.08.90. - Бюл. №31.

16.А. с. 1308214 СССР, МКИ А 01 В 35/24. Рабочий орган куьтиватора. - Опубл. 23.06.91. - Бюл. №23.

17.А. с. 492248 СССР, МКИ А 01 В 39/22. Рабочий орган культиватора. - Опубл. 07.07.90. - Бюл. №25.

18.А. с. 576087 СССР, МКИ А 01 В 35/32. Почвообрабатывающее орудие. - Опубл. 30.11.94. - Бюл. №22.

19.Пат. 3150722 США, МКИ 172-707. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия. - Опубл. 07.04.93. - Бюл. №13.

20.А. с. 372957 СССР, МКИ А 01 В 39/22. Почвообрабатывающее орудие. - Опубл. 30.09.89. - Бюл. №36.

21.Пат. 1457693 ФРГ, МКИ А 01 В 35/24. Почвообрабатывающий рабочий орган. -Опубл. 15.04.93. - Бюл. №14.

22.А. с. 828994 СССР, МКИ А 01 В 35/22. Почвообрабатывающий рабочий орган. -Опубл. 15.08.90. - Бюл. №30.

23.А. с. 1604178 СССР, МКИ А01В 35/28. Рабочий орган культиватора./Х. С. Гайнанов и М. М. Земдиханов. – Заявл. 08.12.88. Опубл. 07.11.90. – Бюл. №41.

24.А. с. 1782362 СССР, МКИ А01В 35/26. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия./Р. Ф. Ильин, В. В. Тунин, Л. И. Гасюк и Н. Н. Науменко. - Заявл. 22.02.90. Опубл. 23.12.92. – Бюл. №47.

25.А. с. 1665887 СССР, МКИ А01В 13/08, 13/16. Глубокорыхлитель-щелерез./А. И. Мигунов, В. А. Золотухин, В. А. Пахаруков, А. В. Мержеевский и И. А. Золотухин. – Заявл. 18.01.89. Опубл. 30.07.91. – Бюл. №28.

26.А. с. 1429953 СССР, МКИ А01В 35/24. Рыхлительная лапа./Л. Ф. Бабицкий. – Заявл. 12.02.86. Опубл. 15.10.88. – Бюл. №38.

27.А. с. 1561837 СССР, МКИ А01В 13/16. Рабочий орган глубокорыхлителя./Л. Ф. Бабицкий. – Заявл. 18.01.88. Опубл. 07.05.90. – Бюл. №13.