CC BY
106
УДК 631.316
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ ДИНАМИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД
С.Г. МУДАРИСОВ, доктор технических наук, зав. ка- реализации уравнений динамики сплошных сред [1]. Для
федрой
З.С. РАХИМОВ, кандидат технических наук, доцент М.М. ЯМАЛЕТДИНОВ, старший преподаватель И.М. ФАРХУТДИНОВ, аспирант Башкирский ГАУ E-mail: [email protected]
Резюме. Результаты моделирования технологического процесса поверхностной обработки почвы в программном комплексе Flow Vision, с выбранной в качестве критерия оценки - дисперсиями скорости и давления, показали, что для качественной обработки почвы и снижения тягового сопротивления рекомендуется изготавливать лаповые рабочие органы культиваторов шириной захвата 330 мм с углом крошения а=24...26°.
Ключевые слова: рабочий орган культиватора, моделирование, расчетная область, граничные условия, критерий оценки, дисперсия скорости, дисперсия давления.
Обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов почвообрабатывающих машин невозможно без раскрытия теоретических основ и разработки моделей их взаимодействия с почвой.
На сегодняшний день накоплен большой материал теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых решаются многие вопросы механической обработки почвы [1,2]. Однако из-за сложности математического описания реальной почвенной среды исследователи используют различные модели и расчетные схемы взаимодействия рабочего органа с почвой. В основном численная реализация моделей направлена на определение энергетических показателей процесса обработки.
Для определения соответствия моделей реальной работе почвообрабатывающих машин необходимо установить критерии оценки технологического процесса, основанные на кинематических и динамических показателях взаимодействия рабочего органа с почвой.
Цель наших исследований заключалась в поиске критериев оценки технологического процесса обработки почвы для реологических моделей почвенных сред.
Условия, материалы и методы. Кинематические и динамические показатели процесса взаимодействия рабочего органа с почвой можно получить путем численной
Рис. 1. Расчетная область и граничные условия.
этого в первую очередь необходимо определить расчетную область, то есть объем пространства, где заданы уравнения математической модели и определены начальные и граничные условия ее функционирования (рис. 1).
В качестве начальных условий необходимо задать значение скорости потока почвенной среды V на входе в расчетную область, а также плотности р и вязкости ц почвенной среды. Из условия подобия скорость среды должна быть равной скорости V рабочего органа V=V [1].
При этом границу расчетной области Lр необходимо установить за пределами зоны деформации среды рабочим органом, поэтому на «входе» и «выходе» должно соблюдаться условие по давлению Р =0, Р =0.
м 3 м вх ’ вых
Граничные условия при движении твердого тела (рабочего органа) в среде заключаются в том, что в любой точке, принадлежащей границе тела (рабочей поверхности), перпендикулярная к поверхности составляющая скорости Vt элементов почвенной среды должна быть равной нулю (Vt=0). Граничное условие раздела почвенной среды определяется равенством нулю давления на границе разделения почвы и воздуха (Р =0). Граничное условие дна борозды устанавливается с учетом давления подпора со стороны нижних слоев почвы, возникающего как сопротивление объемному сжатию почвы рабочим органом. Для этого определяется вертикальная сила на дне борозды, возникающая в процессе деформации почвы.
Таким образом, граничные условия при численном решении задач процесса обработки почвы - это конструктивно-технологические параметры рабочего органа, а начальные - описание свойств почвенной среды.
Численное решение уравнений динамики сплошной среды с учетом приведенной области расчета реализуется в программном комплексе Flow Vision. При этом можно определить векторное поле скоростей, скалярное поле давлений для каждого момента времени и траектории движения частиц, то есть рассмотреть процесс взаимодействия рабочего органа с почвой и получить объемную картину ее деформирования.
На основе полученных кинематических и динамических характеристик процесса взаимодействия рабочего органа с почвенной средой можно установить критерии оценки технологического процесса обработки почвы.
Перемещение почвенных частиц обычно происходит с преодолением трения почва - поверхность рабочего органа и часто почва - почва. В этом случае важную роль играет относительное перемещение почвенных комков один относительно другого (разрыв связи) и, как следствие их перемешивание и дополнительное крошение. Оценочным показателем этого процесса можно выбрать дисперсию скоростей Dv почвенных элементов в продольно-вертикальной плоскости по высоте обрабатываемого пласта в момент его схода с поверхности рабочего органа (рис. 2). Чем больше ее величина, тем большие относительные перемещения происходят в слое разрушенного почвенного пласта.
При перемещении рабочего органа рост напряжений в нижней части пласта перед лезвием ведет к деформаци-
Рис. 2. Эпюра скоростей (V) почвенных элементов в момент схода с рабочего органа и давлений (Р) на ее поверхности.
ям сжатия и, как следствие, к уплотнению почвы [2]. Этот процесс кроме давления непосредственно связан с кинематикой частиц почвы, вовлеченных в движение при деформации. В нижних горизонтах пласта он сопровождается сжатием и впрессовыванием почвенных частиц в под-лаповый слой. Уплотнение почвы в большей степени происходит в нижней части перед лапой. Оно возрастает под действием рабочего органа до тех пор, пока не произойдет сдвиг или отрыв почвы. Далее комки, образовавшиеся в процессе уплотнения и деформации, перемещаются по поверхности рабочего органа по определенным траекториям и контактируют с поверхностью крыла лапы [3].
О степени уплотнения почвенных комков в нижних горизонтах в процессе обработки можно судить по распределению давлений Р на поверхности рабочего органа (см. рис. 2). А критерием оценки процесса уплотнения может служить значение дисперсии давления Ор на рабочей поверхности.
Для определения достоверности установленных критериев оценки технологического процесса обработки почвы мы провели экспериментальные исследования в почвенном канале кафедры сельскохозяйственных машин Башкирского ГАУ при различных углах крошения и скорости движения экспериментальной установки с лаповыми рабочими органами шириной захвата 330 мм.
Результаты и обсуждение. Как видно по построенной эпюре скоростей (см. рис. 2), в обрабатываемом слое наблюдается разность скоростей по горизонтам, значит, есть и относительное перемещение почвенных элементов.
Из графической зависимости зависимость дисперсии скорости С, от угла (а) крошения лапового рабочего органа (рис. 3) видно, что при угле а=30° происходит резкое
увеличение дисперсии О,. При изменении угла крошения в пределах а=20.. .28° значение О, варьирует незначительно Г0,011...0,014 м/с).
Один из главных показателей конструктивного совершенства рабочих органов почвообрабатывающих машин -тяговое сопротивление. При этом дополнительные затраты на повышение качества обработки почвы путем изменения степени и кинематики воздействия на пласт должны быть оправданы с энергетической и экономической точки зрения.
На основании анализа результатов влияния угла крошения рабочего органа а на энергетические показатели, а именно на составляющие тягового сопротивления, полученных на основе предложенной модели (рис. 4) можно сделать вывод, что наименьшее тяговое сопротивление почвы наблюдается при установке угла крошения а=24°. Дальнейшее его увеличение приводит к увеличению одновременно всех составляющих тягового сопротивления. Это происходит из-за сгруживания почвы перед лапой, связанного с увеличением высоты подъема почвенного пласта и вертикальной составляющей тягового сопротивления, направленной на заглубление рабочего органа.
Рис. 4. Зависимость составляющих тягового сопротивления Я от угла крошения а рабочего органа: 1 - общее тяговое сопротивление Я; 2 - горизонтальная составляющая Ях; 3 - вертикальная составляющая Я2.
Мы установили, что при угле крошения а=28° наблюдается повышение значений Ор, что свидетельствует о неравномерности давления по длине рабочей поверхности лапы. При углах а=24...26° обеспечивается более равномерное распределение давлений, и соответственно равномерный износ рабочего органа и наименьшее уплотнение почвы (рис. 5).
Г), 10 4 Па
90
70
50
30
10
у = -361] Л"; + 3632 Их3 - ІЕ+07 х2 +'2Е+08з - 1Е+09
И.2= 1
20
22
24
26
25
а.
Рис. 3. Зависимость дисперсии О, от угла крошения стрельчатой лапы.
Рис. 5. Зависимость дисперсии давления Эр на рабочем органе от угла крошения. а
Повышения качества предпосевной обработки путем улучшения степени крошения почвенных комков на глубине заделки семян можно достичь именно созданием рабочих органов с меньшими перепадами давлений на рабочей поверхности.
Оценка технологического процесса обработки почвы лаповым рабочим органом на основе предложенных критериев показала, что наиболее работоспособна по степе-
ни воздействия на пласт почвы средняя часть лапы за исключением стойки. Здесь происходит и наиболее сильное разрушение (крошение) частиц почвы, объясняемое их большими перемещениями и перемешиванием. Поэтому правильный выбор параметров лапы в этой рабочей зоне позволит повысить эффективность процесса крошения почвы.
На основе экспериментов в почвенном канале установлено, что при углах а=24. 28° обеспечивается максимальное крошение (80.85 %) и формируется более выровненная поверхность обработанной почвы. При таких параметрах глубина борозды за стойкой лапы не превышает 5 см. А при угле а=30° происходит выворачивание нижних влажных слоев почвы и повышение гребнистости поверхности.
Выводы. Установлены кретерии оценки технологического процеса обработки почвы для реологических моделей: дисперсия скорости частиц почвы по высоте пласта
для оценки степени крошения; дисперсия давления на поверхности рабочего органа для оценки степени уплотнения почвеных комков. На основе этих критериев оценки технологического процесса и экспериментальных исследований для улучшения качества обработки почвы и снижения тягового сопротивления рекомендуется изготавливать лаповые рабочие органы культиваторов с углом крошения а=24.26°.
Модель, реализованная в программном комплексе Flow Vision, позволяет получать непосредственную картину взаимодействия почвы с рабочим органом. Для расчета можно изменять физические параметры среды (плотность, вязкость), начальную скорость движения рабочего органа и его технологические параметры (углы установки, глубина хода, скорость движения и др.).
С помощью предложенной модели можно обосновать рациональные конструктивно-технологические параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Литература.
1. Мударисов С.Г., Султанов Ш.М. Обоснование рабочей поверхности стрельчатой лапы с изменяемыми параметрами. //Достижения науки и техники АПК №8, 2006 - С.35-36.
2. Подскребко М.Д. Повышение эффективности использования тракторных агрегатов на основной обработке почвы. Дисс. докт. техн. наук. Челябинск, 1975. -391с.
3. Мударисов С.Г., Ямалетдинов М.М. Исследование распределения напряжений в почве при взаимодействии с рабочими органами почвообрабатывающих машин. Материалы Всероссийской конференции, посвященной 75-летию со дня открытия Чувашской ГСХА. Чебоксары: ЧГСХА, 2006. -С.477-479.
ASSESSMENT OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF SOIL TREATMENT ON THE BASIS OF
CONTINUUM DYNAMICS EQUATIONS S.G. Mudarisov, Z.S. Rahimov, M.M. Yamaletdinov, I.M. Farchutdinov
Summary. The results of modeling technological process of surface treatment of the soil Flow Vision software, with dispersion as an assessment criterion, show that for qualitative tilling and reducing draught resistance it is recommended to produce cultivators working bodies with 330 mm width and crushing angle a=24...26°.
Key words: cultivators working body, modeling, area of calculations, boundary conditions, assessment criterion, dispersion of the velocity, dispersion of the pressure.
УДК 6З7.11
НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В.В. КИРСАНОВ, доктор технических наук, ученый секретарь
Отделение механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии
К.С. ЩУКИН, кандидат технических наук, доцент Тверская ГСХА
В.Н. ЛЕГЕЗА, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Московский ГАУ Тел.: (495) 1248065
Резюме. Проанализированы основные направления исследований исполнительных механизмов доильных установок, отмечены их недостатки и определены главные пути дальнейшего совершенствования. Выделены два направления развития доильных аппаратов: модернизация подвесной части и применение внешних массажно-додаива-ющих устройств. Предложена схема работы доильного аппарата с двумя уровнями вакуума и раздельным транспортированием молока и воздуха, что обеспечивает ста-
билизацию вакуума, физиологически адекватный режим доения и транспортирование молока в молокопровод без интенсивного пенообразования с сохранением его нативных свойств
Ключевые слова: доильная установка, массажно-дода-ивающее устройство, вакуум.
Госпрограммой развития сельского хозяйства предусмотрено существенное повышение доли отечественной продукции в продовольственном балансе страны и увеличение производства молока к 2012 г на 40 %. Однако за 2008 г валовое его производство составило 32381,7 тыс.т или 101,1 % к уровню 2007 г при среднем надое 4024 кг что на 228 кг больше уровня предыдущего года. При этом поголовье крупного рогатого скота на 1 января 2009 г., было равно 21,1 млн гол., или 98,5 % к соответствующей дате 2008 г, в том числе коров 9,3 млн гол. (99 %), а доильных установок за 2008 г. произвели 710 единиц при общем парке 37 тыс. шт. (в 1990 г. соответственно 30742 и 242200 шт.).
В целом по стране рентабельность производства мо-
