CC BY
7УДК 631.515
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ВИБРОМАГНИТНОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА
Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;
Куклин В. А., кандидат технических наук, доцент;
Агротехнологичская академия ФГА-ОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
В статье представлены теоретические предпосылки комплексного виброимпульсного воздействия рабочих органов на почву, предложена конструкция и обоснованы основные параметры вибромагнитного почвообрабатывающего рабочего органа. Получены теоретические зависимости для обоснования частоты срабатывания виброударных механизмов в соответствии с фазами деформации и разрушения почвы и создания волнообразного движения аналогично движению грудных плавников электрического ската Манта (Mantabirostris).
Ключевые слова: магнитная обработка почвы, виброударный механизм, скалывание почвы, тяговое сопротивление, качество крошения почвы.
JUSTIFICATION OF THE PARAMETERS OF THE VIBROMAGNETIC
TILLAGE WORKING BODY
Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;
Kuklin V. A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Agrotechnological Academy FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The article presents the theoretical prerequisites for the complex vibrationimpulse impact of the working bodies on the soil, the design is proposed and the main parameters of the vibromagnetic tillage working body are substantiated. Theoretical dependences were obtained to substantiate the frequency of operation of vibroimpact in accordance with the phases of deformation and destruction of the soil and the creation of wavelike motion similar to the movement of the pectoral fins of the electric stingray Manta (Manta birostris).
Key words: magnetic tillage, vibro-impact mechanism, soil chipping, traction resistance, soil crumbling quality.
Введение. В настоящее время, в связи с удорожанием энергоресурсов, остро стоит вопрос сокращения энергоемкости обработки почвы при соблюдении агротехнологических требований. В общем случае, снижения энергоемкости крошения почвы можно достичь за счет введения периодического импульсного ударного воздействия в конце фазы сжатия, что приведет к более раннему наступлению фазы скалывания и повышению степени крошения почвы [1].
123
Известные конструкции активных почвообрабатывающих органов [2,3], как правило, имеют одну единую для всей системы частоту импульсного механического воздействия на почву в конкретный момент времени, что не дает возможности учесть и реализовать особенности протекающих деформационных процессов в различных зонах контакта рабочего органа с почвой. В то же время установлено, что совместное воздействие механических и магнитных полей в процессе обработки при определенных условиях и режимах воздействия оказывает заметный стимулирующий эффект на почву, проявляющийся в повышении ее плодородия [4]. Анализ кинематики движения различных биологических прототипов, обитающих в почвенной и водной среде, показал, что в живой природе широко встречается периодическое волнообразное движение конечностей, существенно снижающее затраты на перемещение, например, скат Манта (MantaЫrostris) перемещается за счет волнообразного движения грудных плавников и всего тела [5]. В связи с вышеизложенным, актуальным направлением совершенствования конструкций почвообрабатывающих рабочих органов является использование принципа комплексного виброимпульсного воздействия, сочетающего в себе виброударное механическое и импульсное магнитное воздействие на различные зоны контакта рабочего органа с почвой, с учетом особенностей протекающих в них деформационных процессов.
Материал и методы исследований. Предлагаемый вибромагнитный плоскорежущий рабочий орган (рис. 1а) включает в себя стойку 1, башмак 2, лемех 3, электромагнитные виброударные механизмы 4, размещенные по всей ширине захвата лемеха 3.
Рисунок 1. Вибромагнитный почвообрабатывающий рабочий орган
Электромагнитный виброударный механизм (рис. 1б) 4 состоит из цилиндрического корпуса 5, в задней части которого расположен рыхлительный эле-
У*
124
мент 7, имеющий форму усеченного конуса с ребрами 12, а в передней части размещен подвижный конический зуб 6, активно внедряющийся в необработанный пласт почвы и вызывающий ее скалывание. Внутри корпуса 5 размещены подвижные цилиндрические сердечники 9 с обмоткой 10 и полушаровыми выступами на торцах, разделенные пружинами 11 и выполняющие функцию ударных звеньев. Срабатывание виброударного механизма происходит за счет импульсной подачи разнополярного напряжения на обмотки 10 с целью создания на торцах соседних цилиндрических сердечников одноименной полярности магнитного поля и возникновение сил отталкивания.
Полярность магнитного поля соседних зубьев 6 в текущий момент времени задается противоположной с целью интенсификации магнитного воздействия на почву в межзубовом пространстве в процессе обработки.
Частота ударного воздействия виброударных механизмов 4 рабочего органа устанавливается в зависимости от расчетного значения частоты скалывания почвы, что обеспечивает наиболее эффективное расходование энергии за счет реализации фаз деформации и скалывания почвы.
Срабатывание последовательно расположенных от вершины к концам крыльев лапы ударных механизмов происходит с запаздыванием, с целью создания волнообразного движения, аналогично движению грудных плавников электрического ската [5]. Управление работой системы виброударных механизмов осуществляется при помощи микроконтроллера.
Рассмотрим принципиальную схему электромагнитного виброударного механизма (рис. 2). При колебаниях якоря с амплитудой будет происходить изменение индуктивности обмотки L.
У
С
Рисунок 2. Принципиальная схема электромагнитного виброударного механизма
Индуктивность определяется по известной формуле [6]:
125
I -г ——--ю-8 ~ 4+Су
+>»-у ' (1)
— а а*
Ж
Но
где L - индивидуальность обмотки; п - число витков;
1ж- длина участка магнитной цепи в железе, м;
аж и а— площади поперечного сечения железа и воздушного зазора, м2;
У: - относительная магнитная проницаемость цилиндрического сердечника. Но
Таким образом,
где
С =
М = Су (2)
и
I а
,Г " +)'о (3)
— аж
Но
Для конкретной системы С является величиной постоянной. Выражение для силы взаимодействия между сердечником и якорем Fп запишем как:
р„ 4('о+'/ф 1 ('о+ат;*+Лс (4)
2 с!у 2 ф \2
где i - текущее значение силы тока; i0 - начальное значение силы тока; dф - изменение магнитного потока; у -текущая координата.
Для механической части системы можно записать уравнение в соответствии со вторым законом Ньютона:
ф (5)
<Л Л
где - величина смещения; к, h - коэффициенты уравнения; т - масса подвижной части системы; t - время.
Для электрической части системы запишем уравнение в соответствии со вторым законом Кирхгофа:
^-[/Д /„+/)] + /■(/„ + /) = »„ (6)
ш
где г=гт+гпр+гнг представляет собой сумму сопротивлений обмотки катушки, проводки и нагрузки;
126
и - напряжение источника питания.
После подстановки приближённых значений Fп и L получается окончательно система уравнений, описывающая электромагнитный виброударный механизм:
М — + И и + А'ГиЛ- ц„/ = -М—УМ)
Л
Ж
(7)
(8)
и - текущее значение скорости.
Причём здесь произведение величин у,, считается пренебрежимо малым, кроме того произведено сокращение постоянных членов, учтено, что \г=и0 и обозначено:
Мл, = ЧС
(9)
Результаты и обсуждение. Частота колебаний тягового сопротивления зависит от рабочей скорости почвообрабатывающего орудия и длины участка скалывания почвы [7]:
со =
2пГП
1г
(10)
где V— скорость перемещения рабочего органа в почве.
Наибольшая эффективность виброударного воздействия будет наблюдаться при совпадении частоты срабатывания виброударных механизмов юеиб уд и частоты колебаний тягового сопротивления . С учетом известной зависимости для длины участка скалывания почвы ¡ск^Щ(а+§) получим:
ю
2тIVР
виб.уд.
(11)
И ■ tg(a + ф) где И - глубина обработки; а - угол вхождения лапы в почву; Ф - угол внешнего трения почвы о сталь.
Интервал времени между срабатыванием последовательно располо-
женных по направлению движения виброударных механизмов составит:
А/
р
•сое! —
М
(12)
виб.уд.
где Д1еибуд - расстояние между виброударными механизмами на лемехе;
в- угол раствора плоскорежущей лапы.
Энергозатраты на обработку почвы магнитным полем пропорциональны квадрату величины магнитной индукции В [4]:
127
F -■^э.м. —
В
(13)
где В - средняя величина магнитной индукции между зубьями соседних виброударных магнитных механизмов; V- объем межзубового пространства; ц - магнитная проницаемость; ¡0 - магнитная постоянная.
Выводы. Разработаны теоретические предпосылки комплексного виброимпульсного воздействия рабочих органов на почву. Предложена конструкция плоскорежущего почвообрабатывающего рабочего органа с размещенными на носке и по всей ширине захвата лемехов виброударными механизмами, которая приводит к снижению энергоемкости обработки почвы и повышению степени ее крошения. Использование принципа последовательного срабатывания вибромагнитных механизмов, от носка к концам крыльев лап, обеспечивает создание волнообразного движения аналогично движению грудных плавников электрического ската Манта (МаПаЫю^). Полученные теоретические зависимости позволили обосновать рациональную частоту срабатывания вибромагнитных механизмов в соответствии с фазами деформации и разрушения почвы.
Список использованных источников:
1. Бабицький Л.Ф. Бюшчш напря-ми розробки грунтообробних машин -К.: Урожай, 1998. - 164 с.
2. Николаев Л.А., Союнов А.С. Применение вибрации в обработке почвы // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№ 1 (8). - С. 36-41.
3. Щукин С.Г., Нагайка М.А., Го-ловатюк В.А. Исследование процесса обработки почвы вибрационным рыхлителем // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2015. -№ 3 (244). - С. 83-89.
4. Бабицкий Л.Ф., Куклин В.А., Белов А.В. Анализ влияния режимов магнитной обработки почвенного ложа с семенами на всхожесть пшеницы // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2020. - № 21 (184). -С. 138-143.
References:
1. Babitsky L. F. Bionic directions of development of tillage machines. -Kiev: Harvest, 1998. - 164 p.
2. Nikolaev L. A., Soyunov A. S. Application of vibration in tillage // Electronic scientific-methodical journal of Omsk State Agrarian University. -2017. - No. 1 (8). - P. 36-41.
3. Shchukin S. G., Nagayka M. A., Golovatyuk V. A. Investigation of the process of soil cultivation with a vibration cultivator // Siberian Bulletin of Agricultural Science. - 2015. -No. 3 (244). - P. 83-89.
4. Babitsky L. F., Kuklin V. A., Belov A. V. Analysis of the influence of the modes of magnetic treatment of the soil bed with seeds on the germination of wheat // Bulletin of agricultural science of Tavrida. - 2020. - No. 21 (184). -P. 138-143.
128
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Манта
6. А.с. №1641207 СССР, МПК: А01В 33/10. Вибромагнитный плоскорежущий рабочий орган / Л.Ф. Бабицкий. - №4480231/15; заявл. 09.09.88; опубл. 15.04.91, Бюл. № 14. - 6 с.
7. Иориш Ю.И. Виброметрия. -М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963. - 756 с.
8. Горячкин В.П. Собрание сочинений. Том третий. Изд. 2-е. - М.: Колос, 1968. - 384 с.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Manta
6. A.s. № 1641207 USSR, IPC: A01B 33/10. Vibro-magnetic flat-cutting working body / L.F. Babitsky. -№ 4480231/15; declared 09/09/88; publ. 04/15/91, Bul. № 14. - 6 p.
7. Iorish Yu. I. Vibrometry. - M.: State Scientific and Technical Publishing House of Engineering Literature, 1963. - 756 p.
8. Goryachkin V. P. Collected Works. Volume three. Ed. 2nd. - M.: Kolos, 1968. - 384 p.
Сведения об авторах:
Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Агро-технологической академии ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Агротехнологи-ческая академия ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского»;
Куклин Владимир Алексеевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации и технического сервиса в АПК Агротех-нологической академии ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», e-mail: kuklinvladimiralekseevich@rambler.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Агро-технологическая академия ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Information about the authors:
Babitsky Leonid Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of mechanization and technical service in AIC of the Agrotechnological Academy of the FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, v. Agrarnoe, Agrotechnological Academy of the FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Kuklin Vladimir Alekseevich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of mechanization and technical service in AIC of the Agrotechnological Academy of the FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: kaf-meh@ rambler.ru, 295492, Russia, Republic of Crimea, Simferopol, v. Agrarnoe, Agrotechnological Academy of the FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
129
