CC BY
106
Поварь А.А., Корнеев Е.А., Фалькович Л.Л., Мяло В.В. Технология вибрационной обработки почвы // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№1 (8) январь - март. - URL http://e-joumal.omgau.ru/mdex.php/2017/m5-statya-2017-1/776-00303. - ISSN 2413-4066
УДК 631. 319. 2
Поварь Андрей Александрович
Аспирант
ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Корнеев Егор Александрович
Магистрант
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Фалькович Леонид Леонидович
Магистрант
ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск fakovich_91 @mail.ru
Мяло Владимир Викторович
Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Технология вибрационной обработки почвы
Аннотация. Статья посвящена применению вибрационных технологий, которые нашли широкое распространение в строительстве, обработке различных материалов, успешно применяются для интенсификации транспортирования и сепарации сыпучих смесей. Не стала исключением и обработка почвы. В результате применения вибрационных устройств в сельском хозяйстве, экспериментальным путем доказана целесообразность использования вибрации для уменьшения тягового сопротивления почвообрабатывающих машин, снижения износа рабочих органов, повышения агротехнических показателей обработки почвы.
Ключевые слова: вибрационные технологии, обработка почвы, тяговое сопротивление, износ, вибрация.
Данные, которые получены в ходе оценки взаимодействия вибрирующих рабочих органов с почвой, позволяют полагать, что воздействие вибрацией может использоваться для устранения переуплотнения почв, происходящего в результате антропогенного воздействия. Многократными исследованиями как отечественных, так и зарубежных ученых установлено, что за счет придания незначительных колебаний рабочим органам можно добиться, в определенных условиях, существенного снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий. Исследования А.А. Дубровского [1, 2] показали эффективность использования вибрации рабочих органов различных почвообрабатывающих машин. Кротово-дренажный плуг, оснащенный пневматическим вибровозбудителем, снижает тяговое
1
сопретивление при скорости 0,3 м/с на 50%. Дебалансный вибровозбудитель, которым был оснащен канавокопатель, позволил снизить тяговое сопротивление на величину до 57% при скорости 0,25 м/с. При испытаниях экспериментального вибрационного глубокорыхлителя, на каменистых почвах в Армении, было установлено, что использование вибрации рабочих органов позволит снизить тяговое сопротивление на 65%, и обеспечить лучшее качество рыхления почв.
Саратовским СХИ сконструирован плуг с вибрирующими долотами. Полевые опыты показали [3], что использование вибрирующих долот корпуса плуга позволило снизить его тяговое сопротивление на 17% при скоростях движения 1,1-1,6 м/с.
Р.М. Зоненбергом для исследования влияния вибрации рабочих органов на рабочий процесс почвообрабатывающих машин была сконструирована полевая установка, оснащённая гидравлическим вибровозбудителем и быстросъемными рабочими органами. Результаты полевых экспериментов показали [4], что в зависимости от типа почвы и ее влажности, за счёт вибрации рабочих органов, достигается снижение тягового сопротивления на величину 12-41% при скоростях движения 1,5-1,6 м/с.
В полевых испытаниях проведённых С.Н. Дроздовым с помощью комбинированного почвообрабатывающего орудия, оснащённого маятниковым вибровозбудителем, достигалось снижение тягового сопротивления на 23 % на скоростях 2-2,4 м/с [5].
При исследовании процесса взаимодействия вибрирующих рабочих органов с почвой, Р.М. Зоненбергом были проведены специальные опыты. Экспериментами установлено, что при вибрации и без нее траектории перемещения почвенных частиц резко отличаются друг от друга, что видно на рисунке 1.3.
Без вибрации
С вибрацией
Песок: а=20°: V=14 см/сек.
Песок: а=20°; V=88 см/сек.
Супесь: а=40°; V=40 см/сек.
\ \ ч ъ 1
N к ) Nr ^ К V V
\ ч м V \ S. \ \
и г
Супесь: а=40°; V=88 см/сек.
Глина: а=60°; V—14 см/сек.
Рисунок 1.3 - Типичные траектории перемещения почвенных частиц (по данным Р.М. Зоненберга): а - угол резания клина, V - скорость движения клина.
Клин не имеющий вибрации, при движении значительно сжимает лежащую впереди почву, прежде чем происходит ее скалывание. Таким образом траектории перемещения частиц хотя и различны для разных почв и углов резания клина, но во всех случаях составляют угол у с горизонтом не больший 50°. По данным Ш.Е. Кутубидзе [6], угол у без вибрации не превышает 52°. Вибрирующий клин деформирует только находящуюся над ним почву и не сжимает весь впереди лежащий пласт. Траектория перемещения почвенных частиц при контакте с вибрирующим рабочим органом располагается под углом к горизонту у1, близким к прямому [6]. Это происходит потому, что почвенные частицы, лежащие в опережающем конусе и над клином, начинают колебаться вместе с ним, в связи с чем между ними уменьшаются силы сцепления и внутреннего трения. Такое состояние H.P. Harrison называет псевдоожижением почвы [7]. Сталкиваясь в своем перемещении с впереди лежащими неподвижными слоями
почвы, частицы почти не передают давления на них (не уплотняют почву), а лишь изменяют направление своего движения. Таким образом, колебание рабочего органа вызывает два противоположных эффекта. С одной стороны порождается колебание почвенных частиц в прилегающем к рабочей поверхности слое почвы, что увеличивает затраты энергии и тяговое сопротивление рабочего органа. С другой стороны, они уменьшают установившуюся степень сцепления между почвенными частицами и степень сцепления между рабочей поверхностью и обрабатываемым слоем почвы.
Для оценки этих эффектов Г.Э. Свирский [8] вводит безразмерный параметр т.
т =
А * oj
~V~ (1.
1)
где А - амплитуда колебаний, м;
ю - частота колебаний , с-1,
V - поступательная скорость рабочего органа , м/с .
При т = 0 вибрационные эффекты отсутствуют. С ростом т сначала включается первый эффект, вызывающий дополнительные затраты энергии на колебание обрабатываемого слоя почвы. Далее, с ростом т, включается второй эффект, вызванный колебанием частиц, который снижает суммарное сопротивление за счёт снижения внутреннего трения среды [69].
В лабораторных опытах, проведённых Р.М. Зоненбергом было установлено качественное различие между процессами разрушения почвы вибрирующими и невибрирующими клиньями. Установлено, что хотя у обоих типов клиньев наибольшее давление со стороны почвы приходится на острую режущую кромку (что приводит к быстрому её затуплению), однако перед вибрирующим клином, в отличие от невибрирующего, не образуется уплотненное почвенное ядро [4]. Это также является причиной снижения тягового сопротивления при вибрации почвообрабатывающих рабочих органов.
Все исследователи отмечают, что возрастание скорости поступательного движения клина, при неизменной частоте и амплитуде колебаний приводит к возрастанию тягового сопротивления вибрирующего рабочего органа [5]. Это объясняется тем, что количество ударных импульсов, приходящихся на единицу пути клина, уменьшается. Клин «не успевает» сообщить слою почвы колебательное движение [4]. Псевдоожижения почвы не происходит, поэтому почвенные частицы перемещаются не под прямым (или близким к нему) углом к горизонту, а наклонно, уплотняя впереди лежащие слои почвы. Так же при возрастании активизируется процесс нарастания почвенного ядра, что так же приводит к росту тягового сопротивления.
Критическая скорость, при которой происходит резкое изменение характера взаимодействия вибрирующего рабочего органа с почвой, колеблется в диапазоне 1,8-2,3 м/с.
Исследователи процесса взаимодействия вибрирующих рабочих органов с почвой сходятся во мнении, что на характер изменения тягового сопротивления и затрачиваемой мощности значительное влияние оказывают частота и амплитуда колебаний [3].
При увеличении частоты колебаний уменьшается тяговое сопротивление и затрачиваемая мощность. По данным А.Б. Когана и А.П. Швейкина, положительный эффект от вибрации проявляется при частоте колебаний 5 Гц, и возрастает вплоть до 14 Гц. По данным Г.В. Силаева, наибольший положительный эффект от вибрации наблюдается при частоте 50 Гц и выше. Возрастание амплитуды колебаний также повышает эффективность вибрации, но до определенного предела. Наибольшее снижение тягового сопротивления достигается при амплитудах 3-5 мм. При увеличении амплитуды свыше 3,5-5 мм (в зависимости от типа почвы) наступает уменьшение эффективности вибрации. При амплитудах порядка 10-11 мм вибрация эффекта не дает, что объясняется повышенным расходом энергии на излишнюю деформацию почвенного пласта.
Анализ конструкций вибровозбудителей. Вибровозбудитель - устройство, предназначенное для возбуждения вибрации и используемое самостоятельно или в составе
другого устройства [9]. Задача вибровозбудителя заключается в преобразовании энергии внешнего источника (поступающей в виде электрического тока, магнитного поля, давления потока газа или жидкости и др.) в энергию механического колебательного движения и передаче этой энергии к рабочему органу. По принципу действия вибровозбудители можно разделить на 5 групп [10]:
1. Механические преобразователи вращательного движения в колебательное.
2. Пневмомеханические преобразователи, в которых энергия газообразного рабочего тела преобразуется в энергию механических колебаний.
3. Гидромеханические преобразователи, в которых энергия жидкого рабочего тела преобразуется в энергию механических колебаний.
4. Электромеханические преобразователи, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию механических колебаний.
5. Инерционные вибровозбудители, вынуждающая сила которых вызывается колебательным или вращательным движением инерционных элементов.
По способу воздействия все существующие вибровозбудители можно разделить на три группы: симметричные, ассиметричные, импульсные. Первые создают возмущающую силу, изменяющуюся по времени симметрично относительно нулевой линии; вторые - ассиметрично; третьи воздействуют на рабочий орган толчками. По направлению возмущающей силы все вибровозбудители делятся на два типа: направленного и ненаправленного действия.
Выводы. Обработка переуплотнённых почв классическими приемами характеризуется повышенной энергоёмкостью (на 11,9 - 63,8%) и низкими агротехническими показателями качества. Устранение избыточного уплотнения почвы не достигается.
Вибрационный способ обработки почв позволяет повысить качество обработки и снизить её энергоёмкость. Перспективность использования вибрации рабочих органов при обработке переуплотнённых почв обусловлена повышением её эффективности на более плотных почвах. Использование вибрации рабочих органов позволяет избирательно направлять энергию на интенсивное крошение переуплотнённых участков, снимать напряжения в почвенной структуре за счёт процесса её псевдоожижения.
Режим работы вибрационных почвообрабатывающих машин, при котором наблюдается эффективное использование энергии вибрации для снижения тягового сопротивления рабочих органов, характеризуется частотой колебаний не менее 5 Гц, амплитудой колебаний от 3 до 5 мм.
Для реализации эффективного режима работы вибрационных почвообрабатывающих орудий с заданными характеристиками колебаний рабочего органа, целесообразно использовать инерционные вибровозбудителя планетарного типа, поскольку они позволяют обеспечивать высокие амплитуду и частоту колебаний, обеспечивают устойчивую работу при преодолении больших сопротивлений колебаниям. На основании априорной информации, использование вибрации рабочих органов почвообрабатывающих машин позволяет значительно повысить эффективность их работы, и может быть использовано для устранения переуплотнения почвы [11].
Ссылки на источники
1. Дубровский, А. А. Вибрационная техника в сельском хозяйстве [Текст] / А. А. Дубровский. - М.: Машиностроение, 1968. - 204 с.
2. Дубровский, А. А. Основные принципы применения вибраций для повышения эффективности почвообрабатывающих орудий: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.410 / Дубровский А. А. - Ленинград, 1963. - 55с.
3. Коган, А. Б Исследование плуга с вибрирующими долотами [Текст] / А. Б. Коган, А. П. Швейкин // Состояние и перспективы развития почвообрабатывающих машин, фрез и культиваторов: материалы НТС ВИСХОМ. - М., 1968. - Вып. 25. - С. 157-161.
4. Зоненберг, Р. М. Исследование влияния вибрации на тяговое сопротивление рабочих органов, взаимодействующих с почвой: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.410 / Р. М. Зоненберг. - Омск, 1965. - 21с.
5. Дроздов, С. Н. Обоснование конструктивно-режимных параметров вибровозбудителя комбинированного почвообрабатывающего орудия: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Дроздов Сергей Николаевич. - Оренбург, 2013. - 180 с.
6. Кутубидзе, Ш. Е. Исследование эффективности некоторых вибрационных рабочих органов в тяжелых почвенных условиях Грузии: автореф. дис. . канд. техн. наук: 410 / Кутубидзе Ш. Е. - Тбилиси, 1969. - 27с.
7. Harrison, H. P. Draft, torque, and power requirements of a simple-vibratory tillage tool / H. P. Harrison // Canadian agricultural engineering. - 1973. - V. 15, № 2. - P. 71-74.
8. Свирский, Г. Э. Исследование процесса вибрационной обработки почвы: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.410 / Свирский Г. Э. - М., 1959. -15с.
9. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2010. - 27с.
10. Бауман, В. А. Вибрационные процессы и машины в строительстве: учебное пособие для студентов строительных и автомобильно-дорожных вузов [Текст] / В.А. Бауман, И. И. Быховский. - М.: Высш. школа, 1977. - 255 с.
11. Недостатки и сравнительный анализ для поверхностной обработки почвы/ А.А. Поварь, В.В. Мяло // Вестник Омского государственного аграрного университета.- 2016.- №1 (21).- С. 242-243.
Andrei Povar
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Leonid Falcovich
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Egor Korneev
Student
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk Vladimir Myalo
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
The Technology Of Vibratory Tillage
Abstract. The article is devoted to the application of the vibration technology, which is widely used in construction, handling of different materials have been successfully used to intensify the transportation and separation of granular mixtures. Was no exception and treatment of soil that is directly agricultural material. As a result of application of vibration devices in the field soil treatment experimental work proved the feasibility of using vibration to reduce traction resistance tillage machines and decrease wear of the working bodies.
Keywords: vibration technology, tillage, traction resistance, wear, vibration
