CC BY
34
УДК 631.316 Д.С. Болотов, В.Г. Ляпин
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КУЛЬТИВАТОРА СТЕРЖНЕВОГО ТИПА ПРИ РАЗНОЙ ВЛАЖНОСТИ
ПОЧВЫ
В статье рассматривается экспериментальная установка и методика исследования электрического поля электродной системы электротехнологического культиватора на физической модели в лабораторных условиях. Приводятся результаты исследований при различной влажности почвы, а также данные моделирования в программном пакете Elcut 5.6.
Ключевые слова: электротехнологический культиватор, электрическое поле, электродная система, электрод, модель, метод конечных элементов.
D.S. Bolotov, V.G. Lyapin
LABORATORY RESEARCH OF THE ELECTRIC FIELD IN THE ELECTRODE SYSTEM OF THE BAR TYPE ELECTROTECHNOLOGICAL CULTIVATOR IN DIFFERENT SOIL HUMIDITY
Experimental installation and the research technique of the electric field in the electrode system of the electrotechnological cultivator on the physical model in vitro is considered in the article. The research results in various soil humidity and the modeling data in the Elcut 5.6 software package are given.
Key words: electrotechnological cultivator, electric field, electrode system, electrode, model, final elements technique.
Электрическое повреждение нежелательной растительности [1-2] реализуется электротехнологиче-скими культиваторами (ЭТК), рабочим органом которых является электродная система (ЭС). При работе ЭТК возникает необходимость оценки локального распределения электрического поля (ЭП) с учётом сложной геометрии и нелинейных физических свойств материалов в ЭП - растительных тканей, почвенной и воздушной сред, а также конструкционных сред, используемых в ЭС ЭТК. Одним из источников получения информации об ЭП в биологических, почвенных, воздушных и конструкционных средах является физическое моделирование ЭП ЭС ЭТК в лабораторных условиях [3]. Неоднородность почвы может вносить существенные искажения в измерения, поэтому работу с почвенной структурой можно выполнять после исследований на идеализированной модели, в качестве которой следует использовать электролит - слабые растворы соли в дистиллированной воде. Электропроводность состава, в котором располагается физическая модель ЭС, должна быть близкой к значению удельной электропроводности почвы. Для получения картины ЭП при различных значениях влажности почвы необходимо учесть, что удельное электрическое сопротивление почвы зависит от влажности и химического состава и составляет 30-300 Ом^м для влажной и 500-2000 Ом^м для сухой почвы [4].
На рис. 1 представлен лабораторно-исследовательский комплекс для исследований ЭП уменьшенных моделей ЭС ЭТК. Лабораторные исследования ЭП ЭС ЭТК включают следующие этапы: создание модели ЭС ЭТК и размещение в электролитической ёмкости; определение удельной электропроводности электролита; получение экспериментальных данных об ЭП для построения картины поля; сравнение экспериментальных данных с расчетными, полученными с помощью методов конечных элементов, конечных разностей и др.; формирование выводов о результатах моделирования [3].
Для объекта исследований была выбрана ЭС ЭТК (рис. 2, а) стержневого типа, разработанная в ЧГАУ, для уничтожения сорной растительности на паровом фоне. На рис. 2, б представлена уменьшенная в 10 раз модель выбранной ЭС.
Удельная электрическая проводимость электролита - о - определяется с помощью измерительного устройства (рис. 3, б) (по системе амперметр - вольтметр), состоящего из двух пластинчатых электродов, прикреплённых к двум боковым противолежащим стенкам ванны, представляющей собой параллелепипед с отсутствующей верхней стороной. Схема измерения удельной электрической проводимости электролита представлена на рис. 3, а, в (схема измерения, процесс измерения).
Рис. 1
Рис. 2
На электроды подают напряжение и, измеряют ток I, а о определяют по формуле:
1
<7 = — ,
Р
где р - удельное сопротивление электролита;
Яг
р = — КП
где Кп - постоянная электродного преобразователя;
/- сопротивление объёма жидкости, находящейся между измерительными электродами;
Кп =-,
5
где I = 0,0715 м - расстояние между электродами;
5 = 0,08 м х 0,055 м = 0,0044 м2 - площадь измерительного электрода;
*„=М!5=1(У5.
0,0044
Удельное сопротивление электролита для выбранного электродного преобразователя:
Д,-
Р =
16,25
Удельное электрическое сопротивление электролита, в котором осуществлялись эксперименты, 32,23; 159,28; 523,81 Ом'м, что соответствует условиям влажной и сухой почвы. По составу электролиты приставляют собой: 32,23 Ом^м - проточную воду; 159,28 Ом^м - снеговую воду; 523,81 Ом^м - дистиллированную воду.
В результате получены картины ЭП (рис. 4 - при удельном электрическом сопротивлении почвы 32,23 Ом^м), создаваемые ЭС, а также зависимости изменения потенциала точек (рис. 6) по линиям, пересекающим полосу захвата ЭТК согласно рис. 5 при различном значении влажности почвы. Сопоставляя полученные экспериментальные данные с расчетными, необходимо учитывать, что для эксперимента был выбран масштаб моделирования источника 0,01, а масштаб моделирования геометрических параметров 0,1.
Масштаб моделирования источника тщ определяется как:
где фмодели - напряжение на электродах модели; фнатуры - напряжение на электродах реального ЭТК.
Рис. 4 Рис. 5
Масштаб моделирования геометрических параметров т1 определяется как:
т1=1мод/1натур,
где 1мод - геометрический параметр модели ЭС ЭТК; Натур - геометрический параметр ЭС ЭТК.
"V =
Потенциал. В Потенциал. В Потенциал,
Расстояние, см
Расстояние, см
Расстояние, «1.1
Рис. 6 128
С помощью программного пакета Е!ои 5.6, в основе алгоритма которого лежит векторный метод конечных элементов, мы получили картины ЭП для выбранной модели стержневой ЭС ЭТК (рис. 7 - при удельном электрическом сопротивлении почвы 32,23 Ом^м).
и о)
11580 ПЯ
:
По полученным результатам можно сделать вывод, что совокупная интенсивность воздействия ЭП ЭС ЭТК по линиям 2-6 (рис. 6) будет приблизительно равной, а по линиям 1, 7 интенсивность воздействия будет слабее, а, следовательно, и качество электрокультивации по этим линиям будет хуже, чем по линиям 2-6. Для минимизации этого недостатка необходимо модернизировать конструкцию электродов, расположенных по краям ЭС ЭТК, например, увеличить поперечное сечение и изменить его форму с круглой на овальную. Изменение влажности почвы не вносит существенное искажение в характер воздействия ЭП ЭС ЭТК по линиям 1-7 (рис. 6). По картине ЭП (рис. 4) можно сделать вывод, что за пределами полосы захвата ЭС ЭТК, то есть за пределами линий 1 и 7 (рис. 5) будет распространяться ЭП, что может привести к дополнительным энергозатратам, нежелательному воздействию на биологические объекты, расположенные за пределами полосы захвата. Для минимизации этого недостатка можно добавить диэлектрические пластины на концах крайних электродов.
Сопоставив картины ЭП ЭС ЭТК, полученные в лабораторных условиях (рис. 4) и при моделировании на компьютере (рис. 7), можно сделать вывод, что распространение ЭП происходит в обоих случаях аналогичным образом. В дальнейшим планируется численно сопоставить эти результаты для определения достоверности экспериментальных данных.
Литература
1. Ляпин В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью / Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2000. - 106 с.
2. Ляпин В.Г., Боженков А.В., Котяшкина В.Ф. Структурно-функциональные изменения сорных растений при их повреждении электрическим током / Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2001. - 127 с.
3. Ляпин В.Г., Болотов Д.С. Лабораторные исследования электромагнитного поля электротехнологи-ческого культиватора // Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения акад. ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (п. Краснообск, 9-11 июня 2008 г.) / Россельхозакадемия. Сиб. отд-ние. ГНУ СибИМЭ. - Новосибирск, 2008. - 648 с.
4. Калюжный А.Т. Сельскохозяйственная электронавигация: электрические свойства почвы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М., 2009. - С. 19-20.
--------♦'-----------
Рис. 7
