Разработка машинной технологии для реабилитации земель
- Авторы: Натриашвили Т.М.1, Махароблидзе З.К.1, Маргвелашвили В.О.1, Шарашенидзе С.Г.1
-
Учреждения:
- Институт механики машин им. Р. Двали
- Выпуск: Том 88, № 5 (2021)
- Страницы: 13-17
- Раздел: Новые машины и оборудование
- Статья получена: 30.03.2022
- Статья одобрена: 30.03.2022
- Статья опубликована: 15.10.2021
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/105661
- DOI: https://doi.org/10.31992/0321-4443-2021-5-13-17
- ID: 105661
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В Грузии в настоящее время актуален вопрос реабилитации заброшенных сельскохозяйственных земель. На реабилитированных участках осуществляется посадка винограда, интенсивных садов и разных плантационных культур. Реабилитация включает в себя очистку земли от растений и корневой системы, глубокую обработку почвы, устройство гребня и подготовку почвы для посадки саженцев. Известно, что из сельскохозяйственных работ, культурно-технические работы характеризуются наиболее высокими энерго- и трудовыми затратами. Одной из энергоемких операций в технологии реабилитации земель является очистка почвы от корневой системы растений. Несмотря на технический прогресс до сих пор не решен ряд проблемных вопросов по проектированию и изготовлению машин для некоторых сельскохозяйственных работ. Дело в том, что при реабилитации почвы применяют машины, рабочие органы которых спроектированы без учета реологических показателей обрабатываемой среды. В результате этого технологические работы сопровождаются высокими энергозатратами и приводят к механической эрозии обрабатываемой среды. Часто встречаются дорогие, широкозахватные мульчеры европейского производства с молоткообразными рабочими органами, использование которых противоречат теории резания и измельчения почвы и дает особенно отрицательные результаты при обработке почвы с повышенной влажностью.
В работе представлены технология и система машин для реабилитации заброшенных сельскохозяйственных земель. Рассмотрены основные принципы проектирования существующих машин для реабилитации земель. Изложены предпосылки для проектирования рабочих органов роторных сельскохозяйственных машин, работающих в упруго-пластической среде. Отмечено, что основой создания почвообрабатывающих машин должны быть реологические и механические показатели обрабатываемой среды. С применением теории удара исследован процесс взаимодействия режущих ножей и корневой системы растения в почвенной среде. Получено аналитическое изображение для расчета силы удара.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
При разработке конструкции почвообрабатывающих машин технологический процесс надо рассматривать как физическое явление и, согласно реологической модели обрабатываемой среды (растительный материал + почва), изыскивать пути измельчения и разрыва почвы механическим воздействием с минимальными энергозатратами. Известно, что любой сельскохозяйственный материал имеет разные формы механического воздействия и обработки. Современные методы расчета учитывают условия жесткости среды с учетом наиболее твердого составляющего элемента, а параметры машины выбираются из условия максимальной жесткости. Недостатком существующей методики является то, что не учитываются реологические характеристики пластической среды и способа воздействия на нее, что является главным для данного материала (грунта). Эта проблема возникает в почвах, когда высокоскоростная обработка почвы создает пластичную среду без какой-либо структуры, аэрации и биосферы. Очевидно, такие почвы неэффективны для дальнейшего производства.
Цель исследований
Разработка метода расчета элементов почвообрабатывающих машин с учетом реологических характеристик грунта, как пластической среды, и способа воздействия на него.
Материалы и методы
Над разработкой машинной технологии и системы машин для реабилитации заброшенных сельскохозяйственных земель занимается Институт механики машин им. Р. Двали. В институте разработан аппарат для подрезки и измельчения растительных материалов (рис. 1), который обеспечивает срез, одновременное измельчение растительного материала и укладку измельченной массы на поверхность почвы в виде мульча. Также разработана машинная технология измельчения корневой системы растений в почве и техническое средство – культиватор, который обеспечивает измельчение корневой системы в почве. Предлагаемая технология относится к биотехнологиям и направлена на использование измельченной растительной массы в качестве удобрения.
Рис. 1. Аппарат для срезания и измельчения кустов
Технологический процесс измельчения корневой системы растений в почве осуществляется одним проходом агрегата с применением фрезы-культиватора комбинированными рабочими органами рис. 2.
Рис. 2. Агрегат для измельчения корневой системы: 1 – рама; 2 – кожух; 3 – режущий нож; 4 – противорежущий нож; 5 – чизель-разрыхлитель; 6 – каток; 7 – карданный вал; 8 – конический редуктор; 9 – боковая передача
Режущие ножи рабочего органа фрезы обеспечивают измельчение корневой системы тяжело подрезанных растений на глубине 30 см, а чизельные рабочие органы обеспечивают разрыхление фрезеруемого слоя на глубине 40 см, что необходимо для улучшения водопроницаемости почвы и повышения аэрации. В настоящее время в рамках создания системы машин для реабилитации земель в институте разрабатывается машинная технология и конструкция гребне-образовательной машины с гидроприводом.
Процесс измельчения корневой системы растений в почве рассматривался как ударное воздействие взамоударяемых тел. Поэтому при разрабработке конструкции машины были учтены следующие показатели: допустимая скорость обработки почвы, форма механического воздействия и реологические показатели, которые являются ключевыми для защиты структуры почвы. Соответственно, для изучения процесса измельчения корневой системы растений в почве были использованы методы теории удара.
Результаты и обсуждение
Одним из вариантов исследования процесса резания грунта активными рабочими органами, безусловно, является методика теории удара и реологии. Режущие элементы фрезы не являются абсолютно острыми, поэтому при фрезеровании почвы в качестве закона местной деформации в первом приближении можно использовать формулу Герца:
(1)
Учитывая предположения, изложенные в работе [2], приемлемые для режущего элемента и обрабатываемого материала (растения), коэффициент K в формуле Герца определяется в упрощенном виде:
(2)
где Ε – модуль упругости материала; R – радиус резания режущего элемента.
Для определения силы резания пользуемся уравнением движения:
(3)
где − приведенная масса; – угол поворота барабана от начального состояния.
В работах [3, 5] рассматривается процесс ударного взаимодействия абсолютно твердого тела с упруго-вязким телом, результаты которого можно распространить на рассматриваемый процесс и определить максимальное значение ударной силы по формуле:
(4)
где − начальная скорость ударяющего тела; τ – время релаксации.
В машинах фрезерного типа , где ω – угловая скорость барабана, – радиус фрезерования; − скорость движения объекта.
Абсолютная скорость движения рабочего тела, то есть скорость резания определяется выражением [4]:
(5)
Верхний знак в формуле (5) принадлежит вращению в направлении движения, а нижний – в обратном направлении. В зоне резания максимальная скорость равна: ; при вращении в обратном направлении .
Приведенная масса ротора в точке удара:
(6)
где I – момент инерции ротора; − радиус фрезы, который определяется от места удара.
Масса, которая участвует в ударе:
(7)
где ρ − плотность; V – объем срезаемого материала.
Для приблизительного расчета объем можно выразить формулой:
(8)
где a и b – глубина и толщина срезанного слоя; S – величина подачи ножа:
где t – время ;
Соответственно, подача:
(9)
Подставляя (8) и (9) в формулу (7), получаем, что масса срезанной земли (стружки), участвующей в ударе, равна:
(10)
Тогда общая приведенная масса в формуле (4) определяется выражением:
(11)
Если подставим значения параметров формул (2), (5) и (11) в окончательную формулу (4), то получим формулу расчета ударной резки (фрезерования) в следующем виде:
(12)
Второй член, указанный в скобках, формулы для почвы, очень мал по сравнению с единицей, и им можно пренебречь. Тогда, если мы сгруппируем постоянные члены в формуле (12) и учтем количество одновременно работающих ножей, получим:
(13)
где n – количество одновременно работающих ножей.
С учетом технологических требований, которые предполагают максимальное значение измельченных фракций L = S = 10 см, кинематический фактор можно определить по зависимости:
где D – диаметр фрезы, м; n – количество рабочих органов, одновременно работающих в продольной вертикальной плоскости.
Определим максимальную силу удара при резании по формуле (13), с учетом скорости обработки почвы V ≤ 10 м/с, и кинематический коэффициент λ = 14,13.
Для численного примера силы удара примем следующие характеристики:
- плотность почвы = 1600 кг/м3;
- момент инерции ротора (D = 0,9 м, ∆ = 20 мм, количество дисков ротора N = 3) I = 7,8 · 3 = 23,4 кг/м2;
- предел прочности грунта = 0,4 · 106 Н/м2;
- модуль упругости E = 2 · 106 Н/м2;
- кинематический фактор = 14,13;
- глубина обработки a = 0,35 м;
- ширина захвата b = 0,1 м;
- радиус заточки режущего элемента R = 25 мкм = 2,5 · 10–6 м;
- радиус ротора = 0,45 мм;
- количество режущих ножей на диске Z = 8;
- количество режущих элементов, работающих одновременно в продольной вертикальной плоскости n = 9;
- скорость движения агрегата с учетом кинематического фактора . Va = Vf /λ = 8,47/14,13 = 0,6 м/с.
Тогда:
Требуемая мощность N = . Va = 9816 × × 0,6 = 5889,6 Вт; N = 5,89 кВт.
Выводы
Полученная формула полностью учитывает физико-механические свойства рабочей среды, а также кинематические и динамические факторы фрезерования. Ее можно использовать для определения сил сопротивления резанию в сельскохозяйственной технике аналогичного типа, работающей по принципу удара.
Об авторах
Т. М. Натриашвили
Институт механики машин им. Р. Двали
Автор, ответственный за переписку.
Email: rdimmg@yahoo.com
д.т.н.
Грузия, ТбилисиЗ. К. Махароблидзе
Институт механики машин им. Р. Двали
Email: rdimmg@yahoo.com
д.т.н.
Грузия, ТбилисиВ. О. Маргвелашвили
Институт механики машин им. Р. Двали
Email: rdimmg@yahoo.com
к.т.н.
Грузия, ТбилисиС. Г. Шарашенидзе
Институт механики машин им. Р. Двали
Email: rdimmg@yahoo.com
к.т.н.
Грузия, ТбилисиСписок литературы
- Мульчеры и измельчители пней. URL: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=1329#second-nav-recommend (дата обращения: 11.09.2021).
- Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства ударяемых тел. М.: Издательство литературы по строительству. 1965. 447 с.
- Махароблидзе Р.М. Методы теории удара и реологии в земледельческой механике. Тбилиси: «Интеллект». 2006. 314 с.
- Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. 326 с.
- Кормшиков А.Д. Механизация обработки почвы на склонах. Чебоксары: Чувашское книжное издательство, 1981. 125 с.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)