CC BY
38
shock-wave influence], Doklady akademii nauk, 1999, T. 368, No 2, pp. 286-288. (In Russian)
5. Sidorczov I.G. Ustanovka dlya predposevnoj obra-botki semyan [Device for preseeding processing of seeds], Texnika v sel'skom xozyajstve, 2007, No 3, pp. 61-62.
(In Russian)
6. Popandopulo K.X., Ksenz N. V., Sidorczov I.G., So-rokin B.N. Mexanizm uvelicheniya vodopogloshheniya semyan pod vozdejstviem magnitnogo polya [Mechanism of increase in water absorption of seeds under the influence of magnetic field], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2010, No 1, pp. 10-15. (In Russian)
7. Chepczov S.M., Butenko A.F. Ustrojstvo dlya opre-deleniya skorosti zerna pri udare [Device for determination of grain speed at blow], pat. 165280 U1, RF, No 2016108740/28, zayavl. 10.03.2016; opubl. 10.10.2016, Byul. No 28. (In Russian)
8. Sukhanova M.V., Sukhanov A.V., Malinovskij S.V. Sposob predposevnoj obrabotki semyan i ustrojstvo dlya ego osushhestvleniya [Method of preseeding process and the device for its implementation], pat. 2618106 RF, zayavitel" i
patentoobladater Suxanova M.V., No 2016101318, zayavl. 19.01.16, opubl. 02.05.17, Byul. No 13, 4 p. (In Russian)
9. Tenyaev A.V., Donskova N.M. Dobroe semya -dobrye vskhody [Kind seed - kind shoots], Zashhita i karantin rastenij, 2004, No 3, pp. 12-13. (In Russian)
10. Kamaletdinov P.P., Khasanov E.R., Gallya-mov F.N., Bajguskarov M.X. Snizhenie povrezhdaemosti semyan pri protravlivanii [Seeds damageability decrease at a preseeding process], Nauchnoe obespechenie ustojchivogo funkcionirovaniya i razvitiya APK: materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem v ramkax XIX Mezhdunarodnoj specializirovannoj vystavki «AgroKompleks-2009», Ch. I, Ufa, FGOU VPO Bashkirskij GAU, 2009, pp. 82-84. (In Russian)
11. Hongze L., Konglai Z. Ecological agriculture comprehensive efficiency evaluation Index system and assessment method, China Forestry Economy, 2007, No 9, pp. 1922, 38.
12. Beylis V.M. Slassification of the machine technological systems in plant industry, Agricultural machinery and technologies, 2015, No 5, pp. 38-42.
Сведения об авторах
Суханова Майя Викторовна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика и механика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ Во «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация).
Забродин Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Высшая математика и механика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация).
Суханов Андрей Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительная техника и автоматизированные системы управления», ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения», старший научный сотрудник Центра инновационных и интеллектуальных технологий Ростовского филиала АО «НИИАС» (Российская Федерация).
Information about the authors
Sukhanova Mayya Victorovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the High mathematics and mechanics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zerno-grad (Rostov region, Russian Federation).
Zabrodin Victor Petrovich - Doctor of Technical Sciences, Professor of the High mathematics and mechanics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation).
Sukhanov Andrey Valerievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Computer facilities and automated control systems department, Rostov State Transport University, senior research associate of the innovative and intellectual technologies, Center of the JSC «NIIAS» (Russian Federation).
УДК 631.17
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
© 2018 г. С.Н. Капов, А.В. Орлянский, А.А. Кожухов, А.В. Бобрышов, В.А. Лиханос, В.В. Мирошникова
Механическая обработка почвы - одна из наиболее энергоемких операций в земледельческой механике. При этом применяемые технологии почвообработки позволяют выполнять разные технологические операций. Однако в поч-вообработке нет обоснованных критериев для энергетической оценки технологического процесса обработки почвы. Целью работы является необходимость разработки общего критерия энергетической оценки технологического процесса обработки почвы. В основе исследования лежит понятие нарушения целостной структуры почвенного массива, как результат разрушения не всего почвенного массива, а некоторой ее обрабатываемой части. Рассматривая технологический процесс обработки почвы как систему, показано, что подводимая энергия от трактора, передаваемая рабочим органом почвенной среде, тратится на изменения исходного состояния и получения требуемых свойств обрабатываемого почвенного пласта. Показано, что процесс преобразования подводимой энергии рабочим органом служит показателем
оценки расхода энергии, идущей на деформацию обрабатываемого почвенного слоя. Этот показатель является основанием для выбора критерия оценки энергоемкости почвообработки. Рассмотрены составляющие понятия «КПД орудия» для различных типов рабочих органов: пассивные, активные и комбинированные. Установлено, что степень совершенствования применяемой технологии в почвообработке целесообразно оценивать с учетом энергии, затрачиваемой на выполнение агрономически полезной работы. Исходя из этого, составлены расчетные схемы процесса взаимодействия двугранного и трехгранного клина с почвенной средой. Получены составляющие тягового сопротивления клиньев, которые складываются из затрат энергии, обусловленных деформацией, разрушением и транспортированием пласта почвы. Проведен теоретический анализ полученных аналитических зависимостей и показано, что целесообразно обрабатывать почвенный слой до «критической» глубины hp. Установлено, что доля удельных затрат энергии, расходуемой на процесс разрушения (крошения) почвы, может достигать 35-40% от всех затрат.
Ключевые слова: почвенная среда, обработка почвы, рабочие органы, затраты энергии, энергетическая оценка, тяговое сопротивление, расчетная схема, критическая глубина обработки.
Mechanical soil tillage is one of the most energy-intensive operations in agricultural mechanics. At the same time, differ-rent soil tillage technologies allow to perform different technological operations. However, in the soil tillage there is no any reasonable criteria for the energy assessment of the technological process of the soil tillage. The purpose of the paper is the necessity to develop a common criterion for energy assessment of the technological process of soil tillage. The research is based on the concept of breaking the integral structure of the soil mass, as a result of the destruction of not all the soil mass, but some of its treated part. Considering the technological process of soil treatment as a system, it is shown that the energy supplied from the tractor and transmitted by the working unit to the soil environment is spent on changes in the initial state and obtain the required properties of the treated soil layer. It is shown that the process of conversion of energy input by the working unit is an indicator of energy consumption, spending to the deformation of the treated soil layer. This indicator is the basis for the selection of criteria for assessing the energy intensity of soil tillage. It is considered the components of the concept of «efficiency tools» for different types of working units: passive, active and combined. It is determined that the degree of perfection of the applied technology in soil tillage is rational to estimate considering the energy spent on performance of agronomically useful work. Based on this, it is calculated the scheme of the interaction process of dihedral and trihedral wedge with the soil environment. The components of the thrust resistance of wedges, which consist of energy costs due to deformation, destruction and transportation of the soil layer, are obtained. The theoretical analysis of the obtained analytical dependences is carried out and it is shown that it is rational to tillage the soil layer to the «critical» depth of Ьжр. It is found that the share of specific energy costs spent on the process of destruction (crumbling) of the soil can reach up to 35-40% of all costs.
Keywords: soil environment, soil tillage, working units, energy costs, energy assessment, thrust resistance, calculation scheme, critical depth of tillage.
Введение. Известно, что механическая обработка почвы почвообрабатывающими орудиями является одной из наиболее энергоемких операций в земледельческой механике. Суть такой обработки состоит в изменении исходного состояния почвенной среды и получении требующихся по агротехнике показателей состояния почвы, необходимых для возделывания различных культур. При этом применяемые технологии почвообработки позволяют выполнять разные технологические операции. Основными из них являются такие операции, как подрезание, рыхление, оборачивание, перемешивание, крошение и т.д. В основе всех операций лежит понятие нарушения целостной структуры почвенного массива, как результат разрушения не всего почвенного массива, а некоторой ее обрабатываемой части. Именно изменение структуры последней и определяет такие свойства, как плотность, твердость, влажность, пористость почвенной среды [1, 2, 3].
Методика исследования. Подводимая энергия от энергетического средства (трактора), передаваемая рабочим органом почвенной сре-
де, тратится на изменение исходного состояния и получение требуемых свойств обрабатываемого почвенного пласта. Этот процесс передачи энергии можно представить как механико-технологическую систему (рисунок 1).
Условия функционирования рассматриваемой системы предусматривают учет входных и выходных показателей. К входным показателям относятся тип и физико-механические свойства обрабатываемой среды, а к выходным - полученные при этом агротехнические показатели и энергоемкость процесса почвообработки.
Известно [2, 4, 5, 6], что для процесса разрушения некоторого материала необходимо достижение предельного (критического) состояния, за которым происходит его разрушение (разделение) на части и образование новых поверхностей. Этот процесс оценивается такими показателями, как напряжения (например, касательные и нормальные) и деформации, возникающие в разных точках рассматриваемой среды. Причем значения напряжений характеризуют предельное состояние, а значения деформаций - образование трещин материала.
Физико-механические свойства
Энергетическое средство(трактор)
Подводимая
ТЕ
Способ
I
Техническое средство (орудие)
Энергоемкость обработки
V_Е
Изменение состояния почвенной среды
«
о =
=
и и Т о С
8 о
л «
ю о
■а &
и
и
Агротехнические показатели обработки
Рисунок 1 - Механико-технологическая система обработки пласта почвы
Существующий механизм обработки почвы предусматривает последовательную передачу обрабатываемому пласту тягового усилия, возникающего на поверхности рабочего органа. Поэтому процесс преобразования подводимой энергии рабочим органом служит показателем оценки расхода энергии, идущей на деформацию обрабатываемого почвенного слоя. Этот показатель является критерием оценки энергоемкости почвообработки.
С целью энергооценки различных технологических процессов обработки почвы используют целый ряд удельных показателей. Наиболее распространенным показателем в почвооб-работке является коэффициент удельного сопротивления почвы. Значения этого показателя зависят от ряда факторов (например, типа и состояния почвенной среды, режимов работы агрегата, используемых способов обработки и др.) и учесть их в полной мере не представляется возможным.
Подводя итог, отметим, что для оценки энергоемкости обработки почвы необходимо знание происходящих в почвенном пласте всех физических и механических процессов и описание их математическими (аналитическими) зависимостями.
Результаты и их обсуждение. В последние годы делаются попытки уточнения понятия «коэффициент полезного действия (КПД) орудия» и методики его определения [7, 8, 9, 10]. Рекомендуется КПД орудия (Пор) расчленять
на механическую (Цмех) и технологическую (ЦтеХ) составляющие, характеризующие энергетическое совершенство конструкции орудия и рабочих органов, соответственно:
Лор Л мех Л тех' 0)
Логичность формулы (1) несомненна, но определение по ней полезной составляющей энергии, идущей на осуществление процесса обработки почвенной среды, довольно сложно. Кроме того, формула не учитывает показатели качественной оценки работы орудия.
Введем обозначения: А - полная работа, затраченная на выполнение процесса обработки почвенного пласта орудием; Аро - фактическая работа, затраченная рабочими органами при взаимодействии их с почвенным пластом; >4роР- агротехническая (полезная) работа, затраченная рабочими органами на обработку почвенного пласта.
Тогда можно записать:
А.
догр
Лор д ' Л мех
дагр
ро _ ро
' Л тех ~ ] '
А
А„
ро
Если перейти к затратам работ в единицу времени, то КПД орудия выразится через отношение соответствующих мощностей:
ПоР =
дрггр
N
(3)
Если учитывать, что применяемые технологии почвообработки предусматривают различ-
ные каналы передачи энергии, то можно оценить КПД орудия (пор) для разных рабочих органов: - пассивные:
- активные:
дтагр П iV ро
Пор=-
лтагр ро
N,
кр
■ Лт
Л,
ор
К.
лтагр
РО
Kp+NBOM
где Ne - эффективная мощность двигателя трактора;
Nkp и NeoM - мощность соответственно на тяговом (крюковом) и прямом (активном через ВОМ) канале;
Пт.к, Пп.к - КПД каналов тяговой и прямой передач энергии;
а и /?- коэффициенты загрузки тягового и прямого каналов (с&р= 1).
Полученные формулы (4, 5, 6) позволяют оценивать степень совершенства орудия в том случае, если полезная работа по величине будет соответствовать минимально затраченной работе для изменения и получения требуемого свойства обрабатываемого слоя почвы. В поч-вообработке таким критерием оценки может быть, например, степень крошения почвы. Поэтому для энергооценки работы различных рабочих органов необходимо располагать информацией о количестве и качестве подведенной энергии к почвенному пласту Аро (формула 6), а также полезной энергией, идущей на образование новых поверхностей (крошение) почвенной среды Apf. В конечном итоге, необходимо знать
КПД технологии (rjmex).
Для энергооценки почвообработки используют такой обобщенный показатель, как удельная энергоемкость. Этот показатель оценивается удельными затратами на единицу выполненной работы (Дж/га) и слагается из суммарных затрат, необходимых на обработку почвы, транспортирование орудия, передвижение агрегата по полю. Однако данный показатель не дает возможности провести объективную энергооценку техпроцесса обработки почвы различными рабочими органами орудия. На наш взгляд, основным критерием энергооценки поч-
ор
-ктагр РО
ВОМ
лтагр РО
Ne"nn.K.
(5)
(4)
- комбинированные:
дтагр РО
, (6)
вообработки должен быть показатель, который учитывал бы меру интенсивности воздействия рабочим органом на пласт почвы.
Тогда, для обоснования критерии энергооценки почвообработки, исходим из того, что общая энергоемкость процесса обработки пласта почвы рабочим органом (Еро) определится отношением работы на деформацию почвенной среды рабочим органом (Аро) ко всему объему обрабатываемой почвы (V):
Ав
(7)
ро
ро
V
Если числитель и знаменатель формулы (7) разделить на длину хода рабочего органа, получим:
E
R
ро
ро
F
(8)
cp
где Яро - среднее тяговое сопротивление рабочего органа;
Рср - площадь сечения пласта.
Известно [8, 9], что при определении величины Яро необходимо знать тяговое сопротивление рабочего органа Нх и учитывать коэффициент энергоемкости кэ: Яро- кэЯх. Значение коэффициента кэ определяется состоянием почвенной среды: для сухих - 0,4-0,5; для пластичных - 0,8-0,9.
Для определения величины Ях рассмотрим расчетные схемы процесса взаимодействия двугранного и трехгранного клина с почвенной средой (рисунки 2 и 3).
С целью установления составляющих тягового сопротивления клиньев использованы подходы, рассмотренные в работах С.Н. Капова [5-7], согласно которым получены зависимости:
-для двугранного клина:
R
А • А, • m •h-b•
а 1 v
У -h-g
+ C-cos<p +А -h-b -v"
(9)
Рисунок 2 - Расчетная схема процесса взаимодействия двугранного клина с почвой
Рисунок 3 - Расчетная схема процесса взаимодействия трехгранного клина с почвой
-для трехгранного клина:
Я. =
7
С • со8(р + Ав-у-И-Ь-У2 , (10)
где Л - глубина обработки почвы, м; Ь - ширина захвата клина, м; V - скорость движения клина, м/с2; С-сцепление почвы, кН/м2; у - плотности почвенного пласта, кг/м3;
ур - плотность разрыхленной почвенной
среды, кг/м3; д - ускорение свободного падения, м/с2. Входящие в формулы (9) и (10) величины вычисляются следующими соотношениями:
Аа= 1 + Л%(р , Ав= -собц/ /вт % + ц/ , 4г = l + ctg/•tg^
1-8И1<^ -С08 2СО
Ау/- вша-сов^ / 8т а + у/ , А1
1 + 8т<^ -со82<г>'
где а - угол постановки двугранного клина, град.; ц/ - угол поверхностного сдвига почвенного
пласта, град.; Ф и р - соответственно угол внутреннего и внешнего трения почвы, град.; 2со = 2л;-2а-(р-arcsin sin(р • sinр .
В общем, физику процесса взаимодействия клиньев с почвенной средой можно объяснить, если полученные зависимости (9) и (10) представить как
Rx = h-b- Km+Kp+Kk , (11) где Кт = 0,5-mv-Aax -А^у -h-g - коэффициент, характеризующий затраты энергии на преодоление давления пласта почвы на клине, кН;
\-С-ж&(р - коэффициент,
Kv=mv--
а %
характеризующий затраты энергии на процесс разрушения пласта почвы, кН;
Кк=АХ1/-у -лг - коэффициент, характеризующий затраты энергии на изменение направления скорости движения пласта почвы по клину.
Rxm' %
кН
0.4
0.3
0.2
0.1
Согласно рисунку 3, при определении составляющей Rx угол а заменяется углом который вычисляется зависимостью: / = arcsin sin£ -siné? . Здесь е и 0 - углы
установки трехгранного клина соответственно к стенке и ко дну борозды.
В дальнейшем полученную формулу (11) запишем как сумму составляющих тягового сопротивления, соответственно: на преодоление давления пласта почвы (Rxm), на разрушение пласта почвы (Rxp), а также на изменение направления скорости движения пласта почвы по поверхности рабочего органа {RxkY
(12)
Rx~R\т + RXp +RXk-
R*=h-b.Kp,
где Дд.т=А-6-£и
Составляющие зависимости (12) показывают, что общие тяговые сопротивления клиньев складываются из затрат энергии, обусловленных деформацией, разрушением и транспортированием пласта почвы.
RxP RXm 1
1 1 1
\RXk 1 1 1 Ькр
0,1
0,15
0,2
0,25
Рисунок 4 - Зависимости изменения составляющих тягового сопротивления Rxm, Rxp, Rxk от глубины хода рабочего органа Л
На рисунке 4 приведены графические зависимости, построенные по формуле (12). Их анализ, показывает, что при изменении глубины обработки почвы Л от 0,1 до 0,3 м значения составляющих Rxm, Rxp, Rxk тягового сопротивления рабочего органа Rx имеют разный характер поведения. Если при Л =0,1 м величина Rxp составляет 58%, Rxk - 24%, Rxm - 17%, то при Л = 0,3 м значение Rxp уменьшается до 39%, Rxk - до 16%, а значение величины Rxm увеличивается до 47%. Наблюдается тенденция умень-
шения общей доли составляющих Rxp и Rxk при одновременном увеличении составляющей Rxm.
Это позволяет заключить, что для качественной обработки почвенной среды (например, повышение степени крошения почвы) рекомендуется обрабатывать почвенный слой на «критическую» глубину Лкр, которая выбирается из условия, что Rxp > Rxm. При этом до значения Лкр основная доля энергии, подведенная к рабочему органу, расходуется на выполнение полезной работы, а именно, на деформацию и дальнейшее крошение почвенной среды.
Что касается величины Гор (см. формулу 8), то существуют такие типы рабочих органов (например: щелеватели, чизельные стойки и др.), которые пласт почвы обрабатывают не по всей ширине захвата. Работу подобных рабочих органов целесообразно оценивать через коэффициент полноты рыхления который будет определяться отношением фактической ширины деформации (В) к конструктивной ширине рабочего органа (Ь): = В/Ь.
Тогда можно записать, что к-Ъ
(13)
F =
1 CP
£
Поставив формулы (11) и (13) в (8), получим зависимость для оценки энергоемкости процесса обработки рабочими органами орудия [2, 3]:
Еро=К<< К^+К^+КД
или
Еро={Ет+Ер+Ек\ (14)
Здесь Е =к -С-К ,
" т э Т> т?
Еп=к- С ■ Кп и Е,=к -С -К, соответ-
рэ~р к э к
ственно удельные затраты энергии на преодоление давления на разрушение и на изменение направления скорости движения пласта почвы по клину, Дж/м3.
Анализ составляющих формулы (14) показал, что доля удельных затрат энергии, расходуемой на процесс разрушения пласта почвы, может достигать 35-40% от всех затрат.
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Степень совершенствования применяемой технологии в почвообработке целесообразно оценивать с учетом энергии, затрачиваемой на выполнение агрономически полезной работы.
2. Проведена энергетическая оценка КПД орудия (Пор) с различными типами рабочих органов: пассивными, активными и комбинированными.
3. Получено, что общее тяговое сопротивление дву- и трехгранного клина складывается из затрат энергии, обусловленных инерционными силами (деформацией), разрушением и транспортированием обрабатываемого пласта почвы.
4. Показано, что доля удельных затрат энергии, расходуемой на процесс разрушения
(крошения) почвы, может достигать 35-40% от всех затрат.
Литература
1. Components of coulter tractive resistance for subsoil throwing about seeds planting / M.A. Aduov, S.N. Kapov, S.A. Nukusheva, M.R. Rakhimzhanov // Life Sci. J. - 2014. -11 (5s). - Р. 67-71. - http://www.lifesciencesite. com. 30.
2. Kapov, S.N. Model of soil environment as object of mechanical tillage / S.N. Kapov, M.A. Aduov, S.A. Nukusheva // Life Sci. J. - 2014. - 11(12s). - Р. 156-161. -http://www.lifesciencesite.com. 30.
3. Пат. 2643718 РФ, МПК A01B 49/02. Почвообрабатывающее орудие / Несмиян А.Ю., Кулаков А.К., Хиж-няк В.И., Еременко Я.В., Должиков В.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Донской ГАУ. - № 2016141803; заявл. 24.10.2016; опубл. 05.02.2018, Бюл. № 4.
4. Пат. 2641624 РФ, МПК A01B 17/00. Почвообрабатывающее орудие / Хижняк В.И., Щиров В.В., Несмиян А.Ю., Кормильцев Ю.Г., Захаров А.С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Донской ГАУ. - № 2017106491; заявл. 27.02.2017; опубл. 18.01.2018, Бюл. № 2.
5. Aduov, M.A. Structural Analysis of Seeding Process and Mineral Fertilizers Introduction in the Soil / M.A. Aduov, S.N. Kapov, S.A. Nukusheva // Biomedical & Pharmacology Journal. - 2015. - 8(2). - Р. 675-682. http://biomedpharmajournal.org/vol8no2/structural-analysis-of-seeding-process-and-mineral-fertilizers-introduc-tion-in-the-soil/.
6. Пат. 2649331 РФ, МПК A01B 35/22. Рабочий орган почвообрабатывающего орудия / Щиров В.В., Хижняк В.И., Серёгин А.А., Несмиян А.Ю., Кормильцев Ю.Г., Захаров А.С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Донской ГАУ. - № 2017106483; заявл. 27.02.2017; опубл. 02.04.2018, Бюл. № 10.
7. Повышение эффективности технологических процессов в растениеводстве / С.Н. Капов, Р.М. Латыпов, Р.Р. Латыпов, М.А. Адуов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 3. - С. 4-6.
8. Капов, С.Н. Модель процесса взаимодействия клина с почвой / С.Н. Капов, М.А. Адуов, Е. Каспаков // Вестник науки Казахского аграрного университета имени С. Сейфуллина. - Астана, 2009. - № 4(55). - С. 238-245.
9. Адуов, М.А. Модель почвенной среды как объект механической обработки / М.А. Адуов, С.Н. Капов, С.А. Нукушева // Вестник науки Казахского национального аграрного университета «Исследования, результаты». -2014. - № 3. - С. 129-138.
10. Имитационное моделирование для формирования ресурсосберегающих составов агрегатов обработки почвы при возделывании зерновых культур и программ «точного земледелия» / Б.Ф. Тарасенко, С.В. Оськин, С.Н. Капов, Н.В. Костюченко // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. - 2016. -№ 2-3 (2627). - С. 155-162.
References
1. Aduov M.A., Kapov S.N., Nukusheva S.A., Ra-khimzhanov M.R. Components of coulter tractive resistance for subsoil throwing about seeds planting, Life Sci. J., 2014, 11 (5s), рр. 67-71, http://www.lifesciencesite. com. 30.
2. Kapov S.N., Aduov M.A., Nukusheva S.A. Model of soil environment as object of mechanical tillage, Life Sci. J., 2014, 11(12s), рр. 156-161. http://www.lifesciencesite.com. 30.
3. Nesmiyan A.Yu., Kulakov A.K., Khizhnyak V.I., Eremenko Ya.V., Dolzhikov V.V. Pochvoobrabatyvayushhee orudie [Soil tilling implement], pat. 2643718 PF, MPK A01B 49/02, zajavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO DGAU, No 2016141803, zajavl. 24.10.2016; opubl. 05.02.2018, Bul. № 4. (In Russian)
4. Khizhnyak V.I., Shhirov V.V., Nesmiyan A.Yu., Kormil'cev Yu.G., Zaxarov A.S. Pochvoobrabatyvayushhee orudie [Soil tilling implement], pat. 2641624 PF, MPK A01B 17/00, zajavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO DGAU, No 2017106491, zajavl. 27.02.2017; opubl. 18.01.2018, Bul. № 2. (In Russian)
5. Aduov M.A., Kapov S.N., Nukusheva S.A. Structural Analysis of Seeding Process and Mineral Fertilizers Introduction in the Soil, Biomedical & Pharmacology Journal, 2015, 8(2), pp. 675-682, http://biomedpharmajournal.org/ vol8no2/structural-analysis-of-seeding-process-and-mineral-fertilizers-introduc-tion-in-the-soil/.
6. Shhirov V.V., Khizhnyak V.I., Seryogin A.A., Nesmiyan A.Yu., Kormil'cev Yu.G., Zakharov A.S. Rabochij organ pochvoobrabatyvayushhego orudiya [Working unit of soil tilling implement], pat. 2649331 PF, MPK A01B 35/22, zajavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO DGAU, No 2017106483, zajavl. 27.02.2017; opubl. 02.04.2018, Bul. № 10. (In Russian)
7. Kapov S.N., Latypov R.M., Latypov R.R., Aduov M.A. Povyshenie effektivnosti tekhnologicheskikh pro-
cessov v rastenievodstve [Improving the efficiency of technological processes in crop production], Mekhanizaciya i elektrifi-kaciya sel'skogo khozyajstva, 2009, No 3, pp. 4-6. (In Russian)
8. Kapov S.N., Aduov M.A., Kaspakov E. Model" processa vzaimodejstviya klina s pochvoj [The process model of the interaction of the wedge with the soil], Vestnik nauki Ka-zakhskogo agrarnogo universiteta imeni S. Sejfullina, Astana, 2009, No 4(55), pp. 238-245. (In Russian)
9. Aduov M.A., Kapov S.N., Nukusheva S.A. Model" pochvennoj sredy kak ob"'ekt mekhanicheskoj obrabotki [The model of soil environment as object of mechanical treatment], Vestnik nauki Kazakhskogo nacional'nogo agrarnogo universiteta «Issledovaniya, rezul'taty», 2014, No 3, pp.129—138. (In Russian)
10. Tarasenko B.F., Os'kin S.V., Kapov S.N., Kostyu-chenko N.V. Imitacionnoe modelirovanie dlya formirovaniya resursosberegayushhix sostavov agregatov obrabotki pochvy pri vozdelyvanii zernovykh kul'tur i programm «tochnogo zemledeliya» [Simulation modeling for the formation of resource-saving compositions of soil treatment units in the cultivation of grain crops and programs «precision agriculture»], Chrezvychajnye situacii: promyshlennaya i ekologicheskaya bezopasnost', 2016, No 2—3 (2627), pp. 155—162. (In Russian)
Сведения об авторах
Капов Султан Нануович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Механика и компьютерная графика», ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-988-751-17-61. E-mail: Capov-sn57@mail.ru.
Орлянский Александр Викторович - кандидат технических наук, профессор кафедры «Механика и компьютерная графика», ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-919-755-24-11. E-mail: avorl@mail.ru.
Кожухов Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика и компьютерная графика», ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-918-748-33-62.
Бобрышов Алексей Васильевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика и компьютерная графика», ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-918-748-83-86. E-mail: Alex_st_52@mail.ru.
Лиханос Виктор Анатольевич - старший преподаватель кафедры «Механика и компьютерная графика», ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» (Российская Федерация). Тел.: +7-905-497-14-03. E-mail: llenaa@ramble.ru.
Мирошникова Валентина Викторовна - кандидат технических наук, главный специалист по научно-исследовательской работе дирекции Азово-Черноморского инженерного института - филиала ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). E-mail: mvalentina04@gmail.com.
Information about the authors Kapov Sultan Nanuovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of the Mechanics and computer graphics department, FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-988-751-17-61. E-mail: Capov-sn57@mail.ru.
Orlyansky Alexander Viktorovich - Candidate of Technical Sciences, professor of the Mechanics and computer graphics department, FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-919-755-24-11. E-mail: avorl@mail.ru.
Kozhukhov Alexander Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Mechanics and computer graphics department, FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-918-748-33-62.
Bobryshov Alexey Vasilyevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Mechanics and computer graphics department, FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-918-748-83-86. E-mail: Alex_st_52@mail.ru.
Likhanos Victor Anatolyevich - senior lecturer of the Mechanics and computer graphics department, FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» (Russian Federation). Phone: +7-905-497-14-03. E-mail: llenaa@ramble.ru.
Miroshnikova Valentina Viktorovna - Candidate of Technical Sciences, chief research specialist of the directorate, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). E-mail mvalentina04@gmail.com.
УДК 620:631.365.22
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАКТОРА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЗЕРНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
© 2018 г. Д.А. Будников
Развитие оборудования для энергосберегающей сушки зерна не утрачивает своей актуальности. Для его эффективной реализации целесообразно применять наиболее перспективные решения в электротехнике, такие как использование различных электротехнологических воздействий. Высокая энергоемкость процессов тепловой обработки зерна при послеуборочной обработке обуславливается как стоимостью энергоносителей, так и связью влаги в зерне. Разработка режимов обработки с применением электротехнологий в общем и электромагнитных полей в частности может позволить снизить себестоимость указанных процессов. Тепловая обработка применяется к зерну различных культур на этапах сушки, обеззараживания, подготовки к скармливанию и т.д. При их разработке необходимо учитывать виды применяемых электротехнологий, таких как, например, инфракрасные (ИК) поля, поля сверхвысокой частоты (СВЧ) и т.д. Таким образом, данная работа направлена на определение диэлектрических свойств (фактора диэлектрических потерь) зерновоздушной смеси. В работе описаны лабораторная установка и эксперимент по исследованию взвешенного слоя зерна. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению фактора диэлектрических потерь пшеницы, подвергающейся СВЧ-обработке. Полученные результаты для разных плотностей материала соответствуют общей динамике, но значительно отличаются по уровню. Так, для плотного слоя, что соответствует плотности 660 кг/м3 в диапазоне влажности 11+30%, коэффициент диэлектрических потерь изменяется в диапазоне 0,18+0,42; для псевдо-ожиженного слоя (440 кг/м3) 0,06+0,15; для взвешенного (220 кг/м3) 0,1+0,3. В заключение сделаны выводы о возможности применения полученных результатов для дальнейших работ в области тепловой обработки зерна.
Ключевые слова: микроволновое поле, тепловая обработка, зерно, напряженность поля, прямой нагрев, диэлектрик, фактор диэлектрических потерь, плотность слоя, псевдоожиженный слой.
The development of equipment for energy-saving grain drying is not losing its relevance. For its effective implementation it is reasonable to apply the most promising solutions in electro technologies, such as the use of air ions, microwaves etc. High energy intensity of processes heat treatment of grain during post-harvest processing is determined both by the cost of energy carriers and by the bond of moisture in the grain. Thermal treatment is used for different grain crops during the processes of drying, disinfection and preparation to feeding, etc. The development of the processing regimes with the use of electric technologies in general and electromagnetic fields in particular can reduce the cost of the mentioned processes. It's necessary to take into account the types of the applied electric technologies, for example infrared (IR) fields, microwave (MW) fields, etc. Thus, this work is aimed at determining the dielectric properties (the dielectric loss factor) of a grain-air mixture. The article describes the laboratory installation and an experiment on the investigation of a suspended grain layer are described. The results of experimental studies on the determination of the dielectric loss factor of wheat subjected to microwave treatment are presented. The results obtained for different material densities correspond to the general dynamics, but differ significantly in level. Thus, for a dense layer, which corresponds to a density of 660 kg/m3 in the humidity range of 11-30%, the dielectric loss coefficient varies in the range 0,18-0,42; for the fluidized bed (440 kg/m3) 0,06-0,15; for the weighed (220 kg/m3) 0,1-0,3. Conclusions are drawn about the possibility of applying the results obtained for further work in the field of heat treatment of grain.
Keywords: microwave field, heat treatment, grain, field strength, direct heating, dielectrics, dielectric loss factor, bed density, fluidized bed.
Введение. В последнее время проблеме разработки методов и устройств, использующих электрофизические факторы воздействия в сельском хозяйстве, уделяется особое внимание во всем мире, особенно в США, Франции, Японии. Так, например, озонирование в пищевой промышленности получило широкое распространение в Японии, Австралии, Франции. В США в 1997 г. решением правительственной комиссии озон был принят в качестве безопасного средства для использования в существующих и потенциальных технологиях, связанных с хранением и переработкой продуктов питания. Изучением применения микроволновых полей заняты в США, Канаде, Китае, а также ряде европейских стран [1, 2].
В области применения микроволнового нагрева ключевым фактором является наличие данных о диэлектрических свойствах материалов и их изменении от условий технологического процесса. К таким свойствам относятся диэлектрическая постоянная, коэффициент диэлектрических потерь, тангенс угла диэлектрических потерь. Такие характеристики встречаются в справочной и научной литературе, однако они зачастую существенно отличаются даже в пределах одной культуры, а во многих случаях вовсе отсутствуют [2-6]. В случае обработки материала в разряженном или псевдоожижен-ном слое данные о диэлектрических свойствах материалов вовсе отсутствуют. Это связано со сложностью получения подобных характеристик, а также влиянием на них множества фак-
