Библиографическое описание:

Джабборов Н. И., Федькин Д. С. Террадинамика почвообрабатывающих машин // Молодой ученый. — 2015. — №11. — С. 311-315.

На основе исследований особенностей функционирования почвообрабатывающих рабочих органов и машин авторами предложены новые понятия — террадинамика, которая в полном смысле может быть признана как новый раздел науки о почвообработке и — коэффициент террадинамического сопротивления. Изложены новые математические модели для определения коэффициента террадинамического сопротивления, тягового сопротивления одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа и почвообрабатывающей машины. Приведены технико-технологические мероприятия по улучшению показателей эффективности и качества работы почвообрабатывающих машин при использовании динамичных рабочих органов.

Ключевые слова: обработка почвы, почвообрабатывающие машины, почвообрабатывающий рабочий орган, динамические характеристики, террадинамика, коэффициент террадинамического сопротивления, динамичные рабочие органы, твердость почвы, скорость движения.

 

Анализ исследований, в том числе [1–15] показывает, что удельное сопротивление отдельно взятого рабочего органа и в целом почвообрабатывающей машины зависит от следующих параметров:

-        глубина обработки почвы;

-        твердость почвы;

-        плотность почвы;

-        угол атаки рабочих органов;

-        угол крошения рабочих органов;

-        скорость движения почвообрабатывающей машины;

-        площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы;

-        ширина захвата одного рабочего органа;

-        ширина захвата почвообрабатывающей машины.

Из вышеперечисленных 9 параметров всего 2 параметра, то есть глубина обработки почвы и скорость движения почвообрабатывающей машины, являются управляемыми. То есть, в настоящее в почвообрабатывающих машинах используют рабочие органы с фиксированными значениями динамических характеристик. В связи с этим, для управления качеством обработки почвы оператор почвообрабатывающего агрегата вынужден, в зависимости от физико-механических свойств почвы, может изменять в допустимых пределах только скоростной режим работы и глубину хода рабочих органов.

Для повышения энергоэффективности технологических процессов обработки почвы необходимо создать рабочие органы и машины с изменяющими (управляемыми) динамическими характеристиками, обеспечивающими высокое качество работы. Это возможно при автоматизированном изменении (управлении) углов атаки и крошения, ширины захвата рабочих органов в допустимых пределах, а также площади фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы.

Следует отметить, что в аэродинамике (или газодинамике) и гидродинамике физико-механические свойства воздуха (или газа) и жидкости практически не меняются, и при этом основным критерием оценки является качества функционирования объекта (например, самолета, автомобиля или насоса).

При работе почвообрабатывающих агрегатов динамические процессы приобретают более сложный характер. При обработке почвы необходимо обеспечить изменение физико-механических характеристик обрабатываемого материала, то есть почвы, вместе с тем необходимо сохранить основные показатели надежности и качества функционирования почвообрабатывающих агрегатов.

В связи с вышеизложенными особенностями почвообрабатывающих рабочих органов и машин нами вводятся новые понятия террадинамика и коэффициент террадинамического сопротивления. Террадинамика в полном смысле может быть признан как новый раздел в теории обработки почвы, как основа для разработки динамичных рабочих органов.

Террадинамика (терра — от лат. terra — земля, почва, и дина́мика — от греч. δύναμις — сила, мощь, скорость): — новый раздел в теории обработки почвы, в котором изучаются законы движения почвы и силы, возникающие на поверхности деталей почвообрабатывающих машин, относительно которых происходит ее движение. Одна из основных задач террадинамики — обеспечить проектные разработки почвообрабатывающих машин методами расчета действующих на них террадинамических сил. В процессе проектирования почвообрабатывающих рабочих органов и машин для определения их динамических свойств производится террадинамический расчет, в результате которого находят максимальную и минимальную скорости, в пределах которых обеспечивается наилучшее качество обработки почвы. Террадинамический расчет позволяет создать новые машины с изменяемыми динамическими характеристиками рабочих органов, обеспечивающими наилучшее качество обработки почвы на достаточно высоких скоростях, с целью достижения высокой производительности почвообрабатывающих агрегатов.

Другими словами террадинамика — учение о сопротивлении почвы при движении почвообрабатывающих рабочих органов и машин.

Коэффициент террадинамического сопротивления  учитывает обтекаемость рабочих органов; Коэффициент  зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы.

Принцип учета террадинамического сопротивления основан на разработку энергоэффективных рабочих органов и почвообрабатывающих машин с изменяемыми динамическими характеристиками с учетом коэффициента террадинамического сопротивления и нестабильности силовых характеристик при контактном взаимодействии рабочих поверхностей с почвой.

Оптимизация коэффициента террадинамического сопротивления  должна быть произведена по критериям минимума потребной мощности , необходимой для преодоления террадинамического сопротивления, и агротехническим показателям качества работы почвообрабатывающих машин.

В настоящее время в почвообрабатывающих машинах используются рабочие органы с фиксированными геометрическими размерами, то есть в таких рабочих органах площадь фронтальной проекции остается постоянным.

Динамические характеристики таких рабочих органов меняются в зависимости от скоростных режимов их работы и физико-механических характеристик обрабатываемой среды, то есть почвы.

Предполагается, что если создать рабочие органы с изменяемой геометрией, при этом в допустимых пределах можно кратковременно уменьшить площадь фронтальной проекции с целью уменьшения сопротивления почвы. Автоматическое уменьшение площади фронтальной проекции рабочего органа происходит при его встрече с наиболее твердым (плотным) слоем почвы. Уменьшение площади фронтальной проекции рабочего органа будет кратковременным, так как твердость (плотность) почвы в разрезе обрабатываемых полей имеет случайный характер и изменяется в достаточно широких пределах.

Автоматическое изменение геометрии, и соответственно, площади фронтальной проекции рабочего органа, обеспечивает особенность его конструкции.

На рисунке 1 представлена схема к определению площади фронтальной проекции почвообрабатывающего рабочего органа с изменяемой геометрией.

Рис. 1. Схема к определению площади фронтальной проекции почвообрабатывающего рабочего органа с изменяемой геометрией:  — ширина наральника рабочего органа;  — высота наральника по фронтальной проекции в исходном положении;  — высота наральника по фронтальной проекции при изменении геометрии рабочего органа;  — ширина рабочего органа по фронтальной проекции в исходном положении;  — ширина рабочего органа по фронтальной проекции при изменении геометрии рабочего органа;  — базовая высота основания рабочего органа по фронтальной проекции;  — высота конца крыла лапы по фронтальной проекции

 

В производственных условиях одним из основных факторов колебания тягового сопротивления машин (рисунок 2) и рабочих органов является изменчивый характер твердости (плотности) почвы.

При встрече почвообрабатывающего рабочего органа с изменяемой геометрией с твердым слоем почвы происходит кратковременное уменьшение площади его фронтальной проекции (рисунок 1), что позволяет ему с меньшим сопротивлением  (рисунок 2) проходить твердый слой по сравнению с сопротивления  стандартных рабочих органов с постоянной площадью фронтальной проекции.

Использование таких рабочих органов с изменяемой геометрией в принципе обеспечивает уменьшению среднего значения тягового сопротивления от почвы  до , на величину , среднего квадратического отклонения тягового сопротивления от  до . Соответственно при этом размах колебаний нагрузки уменьшается от  до .

Кратковременное уменьшение площади фронтальной проекции в определенных пределах позволяет снизить коэффициент вариации  тягового сопротивления рабочего органа и в целом почвообрабатывающей машины, который прямо пропорционален среднему квадратическому отклонению .

Рис. 2. Схема к определению степени влияния площади фронтальной проекции почвообрабатывающего рабочего органа с изменяемой геометрией на его тяговое сопротивление и меру рассеяния нагрузки

 

В конечном счете, уменьшение значений среднеквадратического отклонения  и коэффициента вариации  тягового сопротивления позволяет улучшить энергетические и технико-экономические показатели работы почвообрабатывающих машин.

Для определения коэффициента террадинамического сопротивления , тягового сопротивления  одного почвообрабатывающего рабочего органа с учетом его террадинамических свойств и тягового сопротивления почвообрабатывающей машины  нами разработаны следующие детерминированные математические модели.

Коэффициент террадинамического сопротивления  почвообрабатывающего рабочего органа может быть выражен формулой:

,                                                                                                (1)

где  коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров , ,  и ;

 тяговое сопротивление одного почвообрабатывающего рабочего органа;

 плотность (твердость) почвы;

 скорость движения рабочего органа (почвообрабатывающей машины);

 площадь фронтальной проекции одного рабочего органа при заданной глубине обработки почвы.

Тяговое сопротивление одного почвообрабатывающего рабочего органа с учетом его террадинамических свойств можно определить из формулы:

.                                                                                              (2)

В выражениях (1) и (2) произведение  представляет собой скорость напора на рабочий орган, то есть это величина кинетической энергии, имеющая размерность давления.

Основным критерием оценки динамического совершенства рабочего органа и почвообрабатывающей машины должен служить коэффициент  террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов.

Тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины с учетом террадинамических свойств рабочих органов можно определить из формулы:

,                                                                                                 (3)

где  общая площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, м2.

Коэффициент террадинамического сопротивления , тяговое сопротивление  одного почвообрабатывающего рабочего органа с учетом его террадинамических свойств и тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины  имеют вероятностный характер. В связи с этим их надо рассматривать в вероятностном смысле. На основе предложенных базовых математических моделей (1), (2) и (3) нами разрабатываются вероятностные математические модели для определения вероятностно-статистических оценок (среднего значения, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэффициента вариации) выше перечисленных параметров.

Применение рабочих органов с изменяемой площади фронтальной проекции позволяет улучшить динамические характеристики, обеспечить эффективное и качественное функционирование почвообрабатывающих агрегатов.

Рабочие органы с изменяемой геометрией и площади фронтальной проекции вкратце можно назвать динамичными рабочими органами.

При использовании динамичных рабочих органов в почвообрабатывающих машинах появляются возможность:

-        автоматизировать изменение геометрических параметров, что позволяет уменьшить коэффициент террадинамического сопротивления и увеличить значение удельного давления на (твердый) плотный слой почвы. Это позволяет мгновенно реагировать на динамический напор почвы, стабилизировать колебания и уменьшить меру рассеяния нагрузки;

-        повысить качество обработки почвы посредством высокочастотных колебаний отдельных элементов рабочих органов при их работе на повышенных скоростях;

-        работать на более высоких скоростных режимах работы, что обеспечить повышение производительности и энергоэффективности почвообрабатывающих агрегатов;

-        разработать почвообрабатывающие агрегаты, обеспечивающие высокую энергетическую эффективность процесса обработки почвы по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами;

-        повысить энергоэффективность технологии обработки почвы.

Заключение

В развитие теории обработки почвы предложены новые понятия — террадинамика и коэффициент террадинамического сопротивления.

Предложены детерминированные математические модели для определения коэффициента террадинамического сопротивления, тягового сопротивления одного динамичного рабочего органа и почвообрабатывающей машины в целом.

Разработка и применение динамичных рабочих органов позволяет повысить показатели эффективности и качества почвообрабатывающих машин по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.

 

Литература:

 

1.                  Агеев Л. Е. Основы расчета оптимальных и допускаемых режимов работы машинно-тракторных агрегатов. — Л.: Колос. Ленинградское отд-ние, 1978. — 296 с.

2.                  Болтинский В. Н. Работа тракторного двигателя на неустановившейся нагрузке. — М.: Сельхозгиз, 1949. — 216 с.

3.                  Вайнруб В. И., Догановский М. Г. Механизация обработки почвы и посева в Нечерноземной зоне. — М.: Россельхозиздат, 1977. — 190 с.

4.                  Волков А. Е., Клейн В. Ф., Михайленко И. М. Рекомендации по автоматизированному проектированию рабочих органов культиваторов. — СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2007. — 25 с.

5.                  Давидсон Е. И. Повышение технологической эффективности комплекса почвообрабатывающих, посевных и комбинированных машин для возделывания овощей совершенствованием и рациональным сочетанием их рабочих органов: автореф. дисс. докт. техн. наук. — Л. — Пушкин, 1988. — 39 с.

6.                  Джабборов Н. И. Научные основы энерго-технологической оценки и прогнозирования эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов. — Душанбе: Изд. «Дониш», 1995. — 286 с.

7.                  Добринов А. В., Дементьев А. М., Джабборов Н. И. К вопросу проектирования почвообрабатывающих агрегатов под конкретные условия функционирования // Молодежь и инновации 2009: Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых, Ч. 2. — Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2009. — С. 47–50.

8.                  Завалишин Ф. С. Основы расчета механизированных процессов в растениеводстве. — М.: Колос, 1973. — 319 с.

9.                  Иофинов С. А., Лышко Г. П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1984. — 351 с.

10.              Крейтер С. В., Нестеров А. Р., Данилевский В. В. Основы конструирования и агрегатирования: Учеб. пособие. — М.: Издательство стандартов, 1983. — 224 с.

11.              Лурье А. Б., Любимов А. И. Широкозахватные почвообрабатывающие машины. — Л.: Машиностроение, 1981. — 270 с.

12.              ОСТ 102.2–2002. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки. — Минсельхоз России, 2002.

13.              Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. — М.: Машиностроение, 1977. — 328 с.

14.              Саакян Д. Н. Система показателей комплексной оценки мобильных машин. — М.: Агропромиздат, 1988. — 415 с.

15.              Сабликов М. В. Сельскохозяйственные машины. Ч.2. Основы теории и технологического расчета. — М.: «Колос», 1968. — 296 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle