CC BY
61
УДК 631.31; 631.31.16
С.Н. Киселев, канд. техн. наук, профессор Н.В. Перевозчикова, канд. техн. наук, доцент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РОТАЦИОННЫХ КОПАТЕЛЕЙ
В ряде стран мира (Нидерландах, Италии, США, Чехии и др.) все шире применяют ротационные копатели. Эти машины появились в начале 60-х годов ХХ в. В экологическом земледелии, площади которого составляют уже 7.. .8 % общей площади пашни в Европе, копатели рассматривают как альтернативу плугу.
Ротационные копатели с колебательным движением рабочих органов состоят из рамы 1 (рисунок) и закрепленных на ней рабочих органов 2 с активным приводом 3 от ВОМ трактора. Основная часть энергии копателей затрачивается на крошение почвы.
Сравнивая однотипные машины на одинаковых технологических операциях по энергетическим затратам, необходимо учитывать качество работы по этому показателю. При исследованиях почвообрабатывающих машин определяют удельную энергоемкость на единицу производительности (кВт-ч/га) и удельное тяговое сопротивление (кПа). Эти показатели не связаны непосредственно с качеством обработки почвы и, прежде всего, со степенью ее крошения, которая существенно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Минимальная работа крошения соответствует разрушению пласта по направлениям естественных наименьших связей между частицами. Поэтому для определения расхода энергии на кроше-
v
1 2
Ротационные копатели с колебательным движением рабочих органов:
1 — рама; 2 — рабочие органы; 3 — активный привод от ВОМ трактора
70
ние целесообразно воспользоваться энергетическим законом разрушения П.Д. Ребиндера.
Согласно теории академика П.Д. Ребиндера, полная работа дробления твердых тел складывается из работы, затрачиваемой на образование новой поверхности, и работы упругих и пластических деформаций, пропорциональной деформируемому объему:
Aп = аА^ + k^V, (1)
где ^п — удельная поверхностная энергия твердого тела (для почвы данного типа является величиной постоянной); Д£ — площадь поверхностей, вновь образованных при разрушении; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от механических свойств почвы, равный по значению удельной объемной работе деформации; kДV — работа деформации объема разрушаемого тела.
Для почв нормальной влажности удельная работа деформации при разрушении незначительна [1]. Поэтому можно принять, что работа крошения пласта определяется только работой, затрачиваемой на образование новых поверхностей, т. е. первым слагаемым формулы (1).
При вскапывании почвы в обработанном слое по агротехническим требованиям должно содержаться не менее 40 % почвенных комков размером более 50 мм. Как видно из таблицы, ротационные копатели с колебательным движением рабочих органов вполне отвечают заданным требованиям.
Для определения степени крошения почвы применяют стандартный метод, основанный на разделении отобранных проб на фракции при помощи набора сит или решет. Каждую фракцию почвы взвешивают и определяют ее массовую долю.
Для оценки энергоемкости ротационных машин предлагается [1, 2] эффективную мощность двигателя относить к суммарной поверхности почвенных фракций, образованных в результате обработки почвы.
В основу положена гипотеза П.Д. Риттингера, согласно которой работа, затраченная на дробление твердого тела, пропорциональна вновь полученной поверхности частиц. При обработке почвы, получающиеся почвенные комки имеют разнообразную форму. Для упрощения расчетов принимают, что комки всех фракций имеют кубическую форму.
Чтобы определить суммарную поверхность почвенных комков, образованных при работе копа-
Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 3'2008
Показатели ротационного копателя при вскапывании почвы
Показатель Selvatrici 3012G
Ширина захвата, м 3,0 3,0 3,0
Глубина обработки, м 0,28 0,28 0,28
Скорость движения, м/с 0,84 0,844 0,85
Эффективная мощность двигателя, кВт 106,1 110,3 126,8
Мощность на ВОМ, кВт 68,8 83,7 103,3
Крошение почвы (в %) на фракции, мм:
< 5 30,50 29,80 33,20
5-10 12,30 14,80 11,70
10-25 8,30 7,80 8,80
25-50 9,30 8,90 10,40
50-100 17,40 16,10 16,20
> 100 22,20 22,60 19,70
Содержание фракций, %:
< 10 мм 42,8 44,6 44,9
> 50 мм 57,2 55,4 55,1
Суммарная поверхность фракций, м2 2725 2 669 2955
Средневзвешенный размер комка, см 2,99 2,90 2,82
Удельные затраты мощности
N /Б, кВт/м2 вом ’ 0,025 0,031 0,035
N , кВт/см уд’ 23,0 28,8 36,6
теля, необходимо знать фракционный состав почвы, а также технологические (а, Ь) и кинематические (у) параметры орудия. Воспользуемся данными исследований ротационного копателя, проведенных в Италии [3, 4].
Вычислив поверхность одного комка с учетом средних значений размеров отверстий решет, определим суммарную поверхность комков, образующихся в единицу времени при проходе почвообрабатывающей машины:
П
Б = 0,06аЬу^ р{/ (, (2)
1
где а — глубина обработки, м; Ь — ширина захвата машины, м; у — скорость движения машины, м/с; р{ — долевой выход соответствующей фракции; ( — средний размер комков во фракции; п — число фракций в почвенной пробе.
Анализ изменения работы Ап в зависимости от размеров комков, образующихся при крошении, показывает, что по мере уменьшения размеров комков затраты работы на крошение сначала возрастают пропорционально размеру, а затем, начиная от некоторого размера, нарастание идет очень интенсивно.
Так как на практике наибольшее распространение получил ситовой анализ, то за диаметр комка удобно принимать, как принято в теории дробления, размер грани наименьшего квадратного отверстия
сита, через которое комок проходит. За средний диаметр d' комков в каждой фракции (интервале) примем среднее значение отверстий верхнего и нижнего сит или диаметры наибольших и наименьших комков во фракции:
= (di + d2)/2, (3)
где d1, d2 — размеры отверстий соответственно верхних и нижних сит, мм.
Для вычисления вновь образованной поверхности при разрушении пласта примем, что все комки во фракции имеют правильную кубическую форму размером di и одинаковую объемную плотность р. Поверхность одного комка кубической формы 5к = 6d2v Расчеты показывают, что удельная поверхность комков одинакового диаметра d1 не зависит от их формы и объемной плотности.
В таблице приведены расчетные данные величины S для различных показателей обработки почвы. Как видно, основная доля мощности, необходимая для крошения почвы, передается через ВОМ трактора (до 85 %). Поэтому удельный расход мощности, потребляемый на создание единицы поверхности вновь образованных комков, определяем по показателю , / S.
вом
Анализ показателей свидетельствует о том, что при крошении пласта почвы ротационный копатель с колебательным движением рабочих органов имеет преимущества по удельным затратам мощности (0,025.0,035 кВт/м2) в сравнении с машиной КР-1,5 (0,03.0,08 кВт/м2) [2].
Итак, учет крошения почвы, выраженный через суммарную поверхность вновь образованных комков, позволяет достаточно полно оценить степень совершенства рабочих органов по удельным затратам мощности на обработку грунта.
Однако рассмотренный способ сравнения почвообрабатывающих машин имеет и недостаток: трудоемкость расчетов суммарной поверхности комков и неполный ее учет из-за ограниченного диапазона фракционного состава (5 < di > 100 мм).
При энергетической оценке почвообрабатывающих машин следует обязательно учитывать качество крошения почвы.
Список литературы
1. Подскребко, М.Д. Энергетическая оценка орудий для основной обработки почвы / М.Д. Подскребко // Труды ЧИМЭСХ. — Челябинск: ЧИМЭСХ, 1974. — Вып. 89. — С. 5-18.
2. Панов, А.И. Совершенствование методов энергетической оценки тепличных почвообрабатывающих машин / А.И. Панов, В.Г. Селиванов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1997. — № 6. — С. 24-25.
3. Test report № 03-036. Spading machine Selvatrici 3012G. — Enama, Rome, 2001. — № 11.
4. Pezzi, F. Regolazione prestazioni di un coltivatore rotativo: Riv. di / F. Pezzi // Engendering Agriculture. — 2004. — № 1. — P. 43-50.
МГАУ№3'2008 -------------- ---------------------- 71
