Определение энерготехнологических параметров динамичных почвообрабатывающих агрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.319:519.87

Доктор техн. наук Н.И. ДЖАББОРОВ (ИАЭП, [email protected]) Канд. техн. наук А.В. ДОБРИНОВ (СПбГАУ, [email protected]) Аспирант Г.А. СЕМЕНОВА (ИАЭП, [email protected])

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

Экспериментальными исследованиями отечественных и зарубежных ученых доказана возможность значительного снижения (до 50%) тягового сопротивления плугов и рыхлителей в результате применения вибрирующих рабочих органов. При этом наибольший эффект от вибрации выявлен у существующих плугов и культиваторов. Однако общий расход энергии при обработке почвы вибрирующими рабочими органами (крюковая мощность и мощность, затрачиваемая на работу вибраторов) превышает количество энергии, необходимое для обработки почвы обычными рабочими органами [1].

Анализ технических средств для обработки почвы с вибрирующими рабочими органами показал, что их использование усложняет конструкцию и повышает стоимость изготовления.

Снижение тягового сопротивления машин с вибрирующими рабочими органами происходит в результате того, что часть работы, необходимой для деформации и перемещения почвы, выполняет двигатель вибратора [1].

С целью снижения тягового сопротивления ряд почвообрабатывающих машин снабжают упругими стойками. Исследования показали, что применение почвообрабатывающих рабочих органов на упругих стойках предохраняет их от поломок при работе на каменистых почвах. Отрицательными сторонами применения упругих стоек является непостоянство глубины обработки и нежелательный разброс и перемешивание почвы.

Вышеперечисленные недостатки, которые имеют место при использовании вибрирующих рабочих органов и рабочих органов с упругими стойками, практически неустранимы. Аналитические исследования, проведенные нами, свидетельствуют, что разрабатываемые динамичные рабочие органы на жестких стойках, снабженные предохранительными устройствами, лишены вышеперечисленных недостатков, которые характерны почвообрабатывающим рабочим органам на упругой стойке и вибрирующим рабочим органам.

Целью исследований является разработка математических моделей для определения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих машин с динамичными рабочими органами.

Материалы, методы и объекты исследования. Для разработки математических моделей энерготехнологических параметров динамичных почвообрабатывающих рабочих органов проведены аналитические исследования процесса обработки почвы. Разработанные математические модели получены на основании теоретических методов моделирования, то есть на основе изучения физических закономерностей, протекающих в процессе обработки почвы. Объектами исследований являлись почвообрабатывающие рабочие органы и машины, технологические процессы обработки почвы.

Результаты исследования. Математические модели энерготехнологических параметров динамичных почвообрабатывающих рабочих органов тесно связаны с показателями оценки динамических характеристик трактора и почвообрабатывающей машины.

В данном случае основными показателями оценки динамических характеристик почвообрабатывающего агрегата являются динамический фактор трактора, удельная

потребная мощность двигателя, среднее значение потребной мощности для функционирования почвообрабатывающей машины и её динамический фактор, а также её удельная потребная мощность.

Динамический фактор трактора определяется из выражения:

Д = Рр / ММТА , (1)

где Ркр - тяговое усилие трактора, кН; ММТА - общая масса почвообрабатывающего

агрегата (трактора с почвообрабатывающей машиной), кН.

Динамический фактор характеризует возможность трактора развивать максимальную скорость, преодолевая сопротивление качению и подъему, рабочей машины и разгоняться.

Значение динамического фактора (Д) по тяговому усилию позволяет судить о тягово-скоростных свойствах трактора при различных нагрузочных режимах. Чем больше динамический фактор (Д) по тяговому усилию, тем лучше тягово-скоростные свойства и выше проходимость трактора, он способен развивать больше ускорения, агрегатироваться с машинами с большим удельным сопротивлением.

Удельную потребную мощность двигателя трактора можно определить из выражения:

У*. = / Мтр , (2)

где Ыен - номинальная (максимальная) мощность двигателя, кВт; МТР -

эксплуатационная масса трактора, кН.

Потребную мощность для преодоления сопротивления почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами, пропорциональную кубу скорости ее движения, предлагается определять по формуле:

к т v3 / * ^ = сккд'1пv , (3)

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий

обтекаемость рабочих органов; коэффициент (Кд ) зависит от формы, качества поверхности

рабочего органа и твердости (плотности) почвы; Тп - твердость почвы, кг/см2; / * - общая площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, м2; V, - среднее значение скорости движения

почвообрабатывающей машины, м/с; Ск = 102 - поправочный коэффициент.

Потребная мощность почвообрабатывающей машины должна обеспечить высокий КПД

трактора.

Для оценки динамических характеристик почвообрабатывающего агрегата важен другой показатель - динамический фактор (ДПМ ) почвообрабатывающей машины, который предлагается определить по формуле:

дпм = К / Мпм , (4)

где Яа - тяговое сопротивление почвообрабатывающей машины, кН; МПМ - вес почвообрабатывающей машины, кН.

Значение динамического фактора (ДПМ) по тяговому сопротивлению позволяет судить о функциональных возможностях почвообрабатывающей машины адаптироваться к удельному сопротивлению почвы в зависимости от динамики его изменения и скорости движения агрегата. Чем меньше динамический фактор (ДПМ ) по тяговому сопротивлению, тем меньше его дисперсия Д(Ркр) (соответственно и среднее квадратическое отклонение аР и коэффициент вариации ур ). Уменьшение величины дисперсии тягового сопротивления Д (Ркр) в определенных пределах, без ущерба на показатели качества работы,

обеспечивает повышение эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов (топливную экономичность, производительность и проходимость).

Для оценки динамических характеристик почвообрабатывающего агрегата можно использовать новый параметр - удельную потребную мощность почвообрабатывающей машины У„ :

1У П

умп = ^п / мпм , (5)

где - потребная мощность почвообрабатывающей машины, кВт; МПМ - вес почвообрабатывающей машины, кН.

Среднее значение потребной мощности МП (кВт), динамический фактор ДПМ (безразмерная величина) и удельная потребная мощность Уы (кВт/кН) являются основными

динамическими характеристиками почвообрабатывающей машины.

В выражении (4) тяговое сопротивление Яа почвообрабатывающей машины с учетом

террадинамических свойств динамичных рабочих органов можно определить по формуле:

Кд • ТП V2 • ^* Яа = д 2 р-. (6)

Теоретически коэффициент террадинамического сопротивления Кд почвообрабатывающего рабочего органа можно определить по формуле:

2Яро

Кд = СП^ 772 , (7)

ТП • % •ь

где СП - коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности параметров Яро, ТП, Ур и ^ *ро; Яро - тяговое сопротивление одного почвообрабатывающего рабочего

органа; ^*ро - площадь фронтальной проекции одного рабочего органа, м2.

Коэффициент террадинамического сопротивления Кд почвообрабатывающей машины с динамичными рабочими органами определяется по формуле:

2Ркр

Кд = ТлУ^' (8)

где ТП • Ур - скорость напора (или динамическое давление) - величина кинетической

энергии, имеющая размерность давления; Ур - скорость движения почвообрабатывающего

агрегата, м/с; ТП - твердость (плотность) почвы (кг/см2); ^* - общая площадь фронтальной проекции рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, м2.

Удельное сопротивление Ка (кН/м) почвообрабатывающей машины определяется по формуле:

Кд • ТП • У2 • ^*

К = д П Р-, (9)

а 2Вр

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления, учитывающий обтекаемость рабочих органов. Коэффициент (Кд ) зависит от формы, качества поверхности рабочего органа и твердости (плотности) почвы; ТП - твердость почвы, кг/см2; ^ * -площадь фронтальной проекции динамичных рабочих органов почвообрабатывающей машины при заданной глубине обработки почвы, см2; Вр - рабочая ширина захвата

почвообрабатывающей машины, м.

Среднее значение коэффициента вариации тягового сопротивления (Ка) почвообрабатывающей машины определяется по формуле:

К *1/2

V = --(10)

Исследования работы почвообрабатывающих рабочих органов на упругих стойках показали, что автоколебания рабочих органов расшатывают межагрегатные связи в почве и снижают её прочность [1]. Применение упругих стоек не влияет на величину динамического фактора (ДПМ) (5) почвообрабатывающих машин, так как среднее значение тягового сопротивления Яа остается неизменным, а его дисперсия Д(Ркр) увеличивается.

Высокочастотные автоколебания, появляющиеся при работе разрабатываемых динамичных рабочих органов также расшатывают межагрегатные связи в почве и снижают её прочность. Это улучшает процессы резания и рыхления почвы. В динамичных рабочих органах в связи с кратковременным и мгновенным уменьшением площади фронтальной проекции (/ *ро) среднее значение тягового сопротивления (Яа) уменьшается, при этом его дисперсия Д (Ркр) уменьшается до определенного предела в зависимости от конструктивно-

технологических параметров рабочего органа. То есть, применение почвообрабатывающих рабочих органов с упругими стойками не влияет на величину динамического фактора ( ДПМ ) почвообрабатывающей машины, а динамичные рабочие органы способствуют уменьшению показателя (ДПМ).

Изменения тягового сопротивления агрегата исследователи классифицируют как макро-, мезо- и микроколебания (Агеев Л.Е., 1978).

Область макроколебаний нагрузки находится в пределах от 0 до 0,2 Гц, мезоколебаний - от 0,2 до 3,0 Гц и микроколебаний - свыше 3 - 5 Гц. На энергетические и технико-экономические показатели агрегатов существенное влияние оказывают макроколебания. Другими словами, макроколебания ухудшают эксплуатационные показатели агрегатов.

По результатам экспериментальных исследований, проведенных нами в 2011-2012 гг., установлено, что при скорости движения Vp = 1,47 м/с универсального комбинированного

почвообрабатывающего агрегата УКПА-2,4 со стрельчатыми лапами в агрегате с трактором класса 1,4 (МТЗ-920) частота колебаний тягового сопротивления (Ркр) составила

а (а) = 6,4с- . При скорости движения Vp = 2,2 м/с почвообрабатывающего агрегата МТЗ-

920+УКПА-2,4 частота колебаний тягового сопротивления (Ркр ) составила ар (а) = 6,83с4

[3]. То есть с повышением скоростного режима работы агрегатов максимумы спектральных плотностей смещаются в сторону более высоких частот.

Анализ исследований ученых свидетельствует, что значения частоты колебаний тягового сопротивления зависит от скорости движения и характеристики почвы в конкретных условиях работы почвообрабатывающего агрегата [2 - 4].

Резание почвы - это сложный процесс взаимодействия почвообрабатывающего рабочего органа и почвы, который сопровождается определенными физическими явлениями.

Вследствие упругости элементов динамичных почвообрабатывающих рабочих органов и нестабильности твердости (плотности) почвы в процессе её обработки всегда возникают колебания.

Если при применении серийных рабочих органов жесткой конструкции колебания нагрузки служат причиной увеличения дисперсии параметров и ухудшения эксплуатационных показателей агрегатов, то использование динамичных рабочих органов позволяет уменьшить дисперсию, что является следствием улучшения показателей работы почвообрабатывающих агрегатов.

Анализ показывает, что в основном эти внутренние колебания, возникающие в элементах конструкции динамичных рабочих органов [5], вследствие неоднородности плотности и твердости почвы являются высокочастотными и оказывают положительную роль в процессе обработки почвы. Высокочастотные колебания динамичных рабочих органов с определенной амплитудой обеспечивают устойчивое дробление почвы на отдельные элементы, снижают сопротивление почвы деформированию и потребную мощность для обработки вследствие расшатывания межагрегатных связей в почве и снижения её прочности. При наличии высокочастотных колебаний не образуется нарост на режущих кромках почвообрабатывающих рабочих органов. При этом имеет место и процесс долбления слоя почвы, который даст большой эффект при нормальной её влажности.

Потребная мощность, необходимая для преодоления террадинамического сопротивления динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, пропорциональна кубу скорости ее движения и определяется по формуле:

К -Т ■V3 ■ Г *

МП = Ск, (11)

где Ск = 102 - поправочный коэффициент; Кд - коэффициент террадинамического сопротивления рабочего органа; ТП - твердость почвы, кг/см2; Vpo - скорость движения динамичного рабочего органа, м/с; ¥*ро - площадь фронтальной проекции рабочего органа, м2.

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

Яро = д П 2 р-, (12)

где Кд - коэффициент террадинамического сопротивления; ТП - твердость

(плотность) почвы; Vр - скорость движения динамичного почвообрабатывающего рабочего

органа; ¥ *ро - площадь фронтальной проекции одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа при заданной глубине обработки почвы.

Глубина обработки почвы и скорость движения являются технологическими величинами, которыми оперируют при работе почвообрабатывающего агрегата в зависимости от агротехнических требований к процессу.

Тяговое сопротивление (Яро) и потребная мощность (МП) для эффективной работы

динамичного почвообрабатывающего рабочего органа являются энергетическими параметрами, величина которых зависит от управляемого технологического параметра -скорости (V движения и от неуправляемых конструктивно-технологических параметров,

таких как (ТП) - твердости почвы, коэффициента (Кд) - террадинамического

сопротивления и площади ( ¥*ро) - фронтальной проекции рабочего органа.

Степень рыхления почвы динамичным почвообрабатывающим рабочим органом можно определить из выражения:

к -яро

Ко = СП Т 0 ,,V , (13)

1 П ■ р

где СП - поправочный коэффициент, учитывающий поправку на размерность влажности почвы и интенсивности изменения тягового сопротивления динамичного рабочего органа от скорости движения; Ж0 - влажность почвы, %; Яро - тяговое

сопротивление динамичного рабочего органа, Н; тп - твердость почвы, Па (Н/м2); Г *ро -

площадь фронтальной проекции одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа при заданной глубине обработки почвы, м2.

Значения поправочного коэффициента ( СП ) можно определить из формулы:

Сп = Ю4-(^ак + tgap н (14)

где tgаR — тангенс угла наклона тягового сопротивления (^ро) одного динамичного

почвообрабатывающего рабочего органа, показывающий интенсивность возрастания ( Яро) от

скорости движения; tgapE — тангенс угла наклона скорости напора рд = ТП ' У„ ,

рд

показывающий интенсивность возрастания (р ) от скорости движения.

Энергоемкость технологического процесса обработки почвы динамичным рабочим органом в 1 час чистого времени (МДж/га) можно определить по формуле:

К ■Т ■V3 ■Г / \

Э = (3,6 ■ —^_ро—^ ) ■ )

= С Кд-ТпV^

2 Т7*ро , (15)

П ь

ро

где СП = 6,48-102 — поправочный коэффициент; Ьро — ширина захвата одного динамичного почвообрабатывающего рабочего органа, м.

Количество колебаний п— (мин-1) на 1 м пройденного динамичным почвообрабатывающим рабочим органом пути определяется по формуле:

—Р (ю) п- р

— V„

(16)

р

где —р (ю) — частота колебаний тягового сопротивления, Гц; VP — скорость движения,

м/с.

Длина волны (м), как путь, который проходит фронт волны за интервал времени, равный периоду колебательного процесса, определяется из выражения:

V,

4 = —Р~. (17)

—р(ю)

В качестве примера в табл. 1 - 4 приведены численные значения динамического фактора трактора (Д), удельной потребной мощности двигателя (Ум ), динамического

фактора почвообрабатывающей машины (ДПМ) и удельной потребной мощности почвообрабатывающей машины ( Уы ).

Таблица 1. Значения динамического фактора трактора Щ) от тягового усилия (Ркр) трактора

и массы (МНТЛ)почвообрабатывающего агрегата

№ п/п р кр,кН ММТА,кН Д

1 9 49,5 0,182

2 14 49,5 0,283

3 20 49,5 0,404

Таблица 2. Значения удельной потребной мощности двигателя (У^) от его номинальной мощности (Nе) и эксплуатационной массы (Мгр ) трактора

№ п/п Ые, кВт МТРкКН Уы , кВт/кН ^ е

1 60 41,0 1,463

2 70 41,0 1,707

3 80 41,0 1,951

Таблица 3. Значения динамического фактора (ДПМ) почвообрабатывающей машины от ее массы (МПМ) и тягового сопротивления (Яа)

№ п/п ^а,кН М ПМ, кН д пм

1 10 8,5 1,136

2 11 8,5 1,294

3 12 8,5 1,412

Таблица 4. Значения удельной потребной мощности (5^) почвообрабатывающей машины от ее массы (Мпм) и потребной мощности ()

№ п/п мпм , кН , кВт , кВт/кН

1 8,5 15 1,765

2 8,5 20 2,353

3 8,5 25 2,941

Выводы. Разработанные математические модели учитывают влияние коэффициента террадинамического сопротивления, твердости и влажности почвы, скорости движения, площади фронтальной проекции динамичных рабочих органов на значения энерготехнологических параметров почвообрабатывающих агрегатов. Математические модели энерготехнологических параметров динамичных почвообрабатывающих рабочих органов тесно связаны с показателями оценки динамических характеристик трактора и почвообрабатывающей машины.

Уменьшение величины дисперсии тягового сопротивления в определенных пределах, без ущерба показателей качества работы, должно обеспечить повышение эксплуатационных качеств почвообрабатывающих агрегатов (топливную экономичность, производительность и проходимость).

Высокочастотные автоколебания, появляющиеся при работе разрабатываемых динамичных рабочих органов, новизна технического решения которых подтверждена патентом [5], улучшают процессы резания и рыхления почвы. В динамичных рабочих органах в связи с кратковременным и мгновенным уменьшением площади фронтальной проекции среднее значение тягового сопротивления уменьшается, при этом его дисперсия уменьшается до определенного предела в зависимости от конструктивно-технологических параметров рабочего органа.

Высокочастотные колебания динамичных рабочих органов с определенной амплитудой обеспечивают устойчивое дробление почвы на отдельные элементы, снижают сопротивление почвы деформированию и потребную мощность для обработки вследствие расшатывания межагрегатных связей в почве и снижения её прочности.

Литература

1. Панов И.М., Ветохин В.И. Физические основы механики почв - Киев.: Феникс, 2008. -266 с.

2. Федькин Д.С. Повышение энергоэффективности технологических процессов обработки почвы путем оптимизации эксплуатационных режимов комбинированных агрегатов с тракторами класса 1,4: Дис... канд. техн. наук: - СПб., 2013. - 188 с.

3. Джабборов Н.И., Добринов А.В., Дементьев А.М. Классификация критериев эффективности и их использование при оптимизации эксплуатационных показателей тяговых МТА. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010. - 104 с.

4. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. - Л: Колос, 1981. -382 с.

5. Патент на полезную модель РФ № 169104. Рабочий орган для рыхления почвы. Джабборов Н.И., Евсеева С.П., Семенова Г.А. Приоритет полезной модели 18.10.2016. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 03.03.2017 г.

Literatura

1. Panov I.M., V.Vetokhin. Phisischeskie osnovi mehaniki poschv - Kiev.: Feniks, 2008. - 266 s.

2. Fedkin D.S. Povishenie energoevektivnosti teshnologischeskih prozessov obrabotki poschvi putem optimisazii ekspluatazionnih rezhimov kombinirovannih agregatov s traktorami klassa 1.4: Dis... kand. tehn. Nauk: - SPb., 2013. - 188 s.

3. Dzhabborov N.I, Dobrinov A.V, Dementiev A.M. Klassificatya kriteriev effektivnosti I ih ispolzovanie pri optimisazii ekspluazionnih pokazatelej tyagovih MTA. - SPb .: SNU SZNIIMESH Rosselhosakademii, 2010 - 104 s.

4. Lurie A.B. Statistischeskaya dinamika selskohosyaistvennih agregatov. - L: Kolos, 1981. - 382 s.

5. Patent na polesnuy model RF №169104. Raboschiy organ dla rihleniy poschvi. Dzhabborov N.I, Evseeva S.P, Semenova G.A. Prioritet polesnoy modeli 18.10.2016. Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre polesnih modeley RF 03.03.2017.

УДК 663.915

Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА

(СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (СПбГАУ, [email protected])

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В АППАРАТАХ С МАГНИТООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Актуальной проблемой предприятий АПК является повышение энергоэффективности производства путем внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Известное в настоящее время традиционное измельчающее оборудование в аппаратурно-технологических системах переработки сырья не обеспечивает выход продукта с оптимальными качественными и энергетическими показателями. Решение этой проблемы возможно путем внедрения в технологические схемы переработки сырьевых материалов электромагнитного способа механоактивации. В результате теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что механоактиваторы с магнитоожиженным слоем (ЭММА) в технологических линиях производства АПК обеспечивают получение готового продукта в узком и оптимальном диапазоне дисперсности при минимальных энергозатратах. Метод расчета магнитных полей в таких аппаратах основан на введении вторичных источников и состоит из сведения задачи к интегральным уравнениям с их