Использование пластика в конструкциях почвообрабатывающих рабочих органов

Полный текст

Введение В настоящее время в с/х машиностроении распространение получают неметаллические материалы, полученные в результате синтеза высокомолекулярных соединений, к которым относятся пластические массы (пластики). Распространение пластиков обусловлено их преимуществом по сравнению с другими конструкционными материалами по основным физико-механическим и эксплуатационным свойствам в условиях с/х производства. Рабочие органы для послойной безотвальной обработки почвы характеризуются высокой металлоемкостью, что приводит к увеличению массы конструкции и повышенным энергозатратам на осуществление технологического процесса. Благодаря использованию в конструкции новых неметаллических материалов на основе пластика возможно существенное снижение металлоемкости рабочих органов и затрат энергии на осуществление технологического процесса обработкой почвы. Цель исследования Целью исследования является снижение затрат энергии при сохранении качества обработки почвы. Материалы и методы Небольшая масса и незначительное сопротивление обрабатываемой среде пластиков позволяет применять их в качестве элементов конструкций рабочих органов для энергосберегающей обработки почвы, поскольку при этом (1) сокращается потребляемая мощность энергосредства ввиду уменьшения первой составляющей рациональной формулы Горячкина: P = fG + Kab + sabv2, где G - вес рабочего органа, Н; a - глубина обработки почвы, м; b - ширина захвата рабочего органа, м; f - коэффициент трения почвы по материалу рабочего органа; K - коэффициент удельного сопротивления почвы, учитывающий свойства почвы и геометрическую форму рабочего органа, Па; s - скоростной коэффициент, Н-с2/м4; v - скорость перемещения рабочего органа, м/с. Поскольку коэффициент трения у пластика ниже, чем у металла, а вес рабочего органа меньше, то первое слагаемое формулы (1) уменьшается. Классификация пластиков основана на различных принципах: химических свойствах полимера, методах получения и др. (рис. 1). По методам получения пластики делятся на полученные на основе высокомолекулярных соединений цепной полимеризацией или поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией и полученные на основе природных полимеров химической переработкой или деструкцией органических веществ. Данная классификация не в полной мере отражает специфические особенности пластиков, поскольку не учитывает химические свойства полимерных связующих. По указанному признаку пластики можно разделить на термопласты и реактопласты. 3 < ш DQ О т 3 < ш DQ О X Выбор пластика для работы в условиях с/х производства должен быть основан на анализе его свойств и характеристик. Например, термопласты получают на основе линейных или разветвленных полимеров и сополимеров, способных при нагревании трансформироваться из твердого в вязкое состояние, не изменяя при этом химической структуры. Элементы из реактопластов изготавливают из технологических полуфабрикатов, представляющих смеси компонентов, в состав которых входит полупродукт полимера, трансформируемый в высокомолекулярное соединение с пространственной структурой макромолекул. Процесс получения реактопластов является необратимым, поэтому они не подвергаются повторной переработке. Установлено, что толерантны к изменению свойств среды высокомолекулярные соединения пластика с гибкостью полимерной цепи, ограничивающей ее стерические препятствия вращению и взаимодействие групп атомов. Термопласты, получаемые на основе разветвленных полимеров, могут подвергаться повторной переработке с сохранением основных свойств. К ним относится полиэтилен и фторопласт. Полиэтилен несколько уступает фторопласту по отдельным показателям, но по плотности и свариваемости [1] имеет преимущества. Так, плотность полиэтилена (0,92...0,96 г/см3), что в 2,2...2,6 раза меньше, чем фторопласта. Поэтому вес конструкции из полиэтилена меньше, чем из фторопласта. Помимо этого фторопласты обладают свойством хладотекучести, которое приводит к изменению геометрии рабочего органа при нагрузках. Согласно справочным данным [1], допустимые нагрузки на детали из некоторых фторопластов не должны превышать 3 МПа, что не соответствует исходным требованиям к почвообрабатывающим рабочим органам, функционирующим при твердости пласта до 4 МПа. Зачастую условия функционирования рабочих органов глубокорыхлителей характеризуются экстремально высокой твердостью (до 6 МПа) в засушливых условиях, поэтому не целесообразно устанавливать на них фторопластовые элементы. На основании ряда исследований [2-6] разработана конструкция рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с применением сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности - термопласта аморфно-кристаллического строения, состоящего из цепных и разветвленных молекул, содержащего стойку с долотом, в передней части которой установлены съемные лемешные лезвия. На долоте закреплен, с возможностью перемещения, ком-кодробитель и расположена упорная плита. В верхней части стойки смонтирован, с возможностью замены, элемент для мелкой обработки почвы (рыхлитель). Сверхвысокомолекулярный полиэтилен низкой плотности монтировали в локальных зонах износа и области повышенного трения рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы (рис. 2). В результате исследований [7] установлено, что при функционировании рабочего органа на экстремальном режиме (глубина более 38 см, твердость более 4 МПа) происходит деформация рыхлителя для мелкой обработки почвы, имеющего локальные области концентрации напряжений. Поэтому рыхлитель для мелкой обработки почвы выполнен из сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкой плотности, толерантного к концентраторам напряжений. Помимо этого сверхвысокомолекулярный полиэтилен низкой плотности устанавливался на долоте, комкодробителе и упорной плите рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы. Это обусловлено тем, что сопротивление разрушению пласта почвы при глубоком рыхлении в боковых расширениях прорези по отношению к единице площади их сечения в несколько раз меньше, чем сопротивление, отнесенное к единице площади перед лобовой поверхностью долота, поскольку при сжатии требуется создать разрушающие напряжения в несколько раз больше, чем при растяжении [8, 9]. Сравнение рабочих органов производилось на основании анализа результатов полевых исследований. Результаты и обсуждения Сравнительная оценка показала, что наиболее качественная обработка почвы осуществлялась рабочим органом для послойной безотвальной обработки почвы с пластиком. После обработки почвы рабочим органом с пластиком поверхность поля более выровненная, лучшее качество крошения пласта (табл. 1). говое сопротивление, определяющего энергозатраты на осуществление технологического процесса (табл. 3). В результате экспериментальных исследований по влиянию скорости (Х1) перемещения рабочего органа с пластиком, глубины обработки почвы (Х2), угла входа в почву долота (Х3) на тяговое сопротивление (у) получено регрессионное уравнение второго порядка в кодированном виде: у = 7,013 - 0,046 Х1 + 0,779 Х2 + 0,072 ХЪ - - 0,678 Х1Х2 + 0,395 Х1 ХЪ + + 0,31 Х2 ХЪ - 0,3Х12 + 0,055Х22 + 0,542Х32. Проверка показала, что по критерию Фишера (F = 17,9 < F б = 18,99) уравнение является адекватным. В результате анализа уравнения регрессии установлено, что глубина обработки почвы рабочим органом (Х2) оказывает наибольшее влияние и ее увеличение приводит к возрастанию критерия оптимизации. Значительное влияние на критерий оптимизации оказывает и угол входа в почву долота рабочего органа (Х3), рост которого приводит к увеличению тягового сопротивления. Характер влияния скорости перемещения рабочего органа (Х1) показывает, что с ростом ее значения происходит уменьшение критерия оптимизации (рис. 3). Установлено снижение до 18,28 % тягового сопротивления рабочего органа с пластиком (табл. 2). Внедрение конструкций рабочих органов с пластиком является перспективным направлением повышения энергоэффективности почвообрабатывающих машин [10]. Необходимо выбрать параметры рабочего органа для послойной безотвальной обработки почвы с пластиком, обеспечивающие минимальное тя3 < ш о При фиксации значения угла входа в почву долота рабочего органа на уровне 32,5° критерий оптимизации уменьшается с падением скорости перемещения рабочего органа и глубины обработки почвы. Оптимальной областью можно признать интервал значений скорости перемещения рабочего органа от 2,0 до 2,2 м/с и глубины обработки почвы от 25 до 28 см. При фиксации значения скорости перемещения рабочего органа на уровне 2,5 м/с критерий оптимизации последовательно уменьшается с падением глубины обработки почвы в пределах ее варьирования в опыте. Наименьшее значение критерий оптимизации достигает при угле входа в почву долота рабочего органа от 31,5 до 33,5° (рис. 4). При фиксированном значении глубины обработки почвы на уровне 30 см поверхность отклика имеет «седловидную» форму. При этом снижение критерия оптимизации происходит в двух областях поверхности: при скорости перемещения рабочего органа в пределах от 2,0 до 2,2 м/с и от 2,8 до 3,0 м/с для угла входа в почву долота в пределах от 31,5 до 33,5°. С точки зрения увеличения производительности рабочего органа скорость перемещения рабочего органа необходимо устанавливать от 2,8 до 3,0 м/с. Выводы 1. Использование сверхвысокомолекулярного полиэтилена в конструкциях рабочих органов обеспечивает снижение тягового сопротивления на 18,3 %, улучшение качества крошения пласта на 6,8...10,4 % и выровненность фона. 2. Оптимальное тяговое сопротивление рабочего органа с пластиком обеспечивается при скорости агрегата от 2,8 до 3,0 м/с, угле входа в почву долота от 31,5 до 33,5° и глубине обработки почвы 30.35 см.

Об авторах

Г. Г Пархоменко

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: i.v.bozhko@mail.ru
к.т.н.

И. В Божко

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: i.v.bozhko@mail.ru
к.т.н.

А. В Громаков

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: i.v.bozhko@mail.ru

В. И Пахомов

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: i.v.bozhko@mail.ru
д.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы