Development of machine technology for land rehabilitation
- 作者: Natriashvili T.M.1, Makharoblidze Z.K.1, Margvelashvili V.O.1, Sharashenidze S.G.1
-
隶属关系:
- Rafiel Dvali Institute of Machine Mechanics
- 期: 卷 88, 编号 5 (2021)
- 页面: 13-17
- 栏目: New machines and equipment
- ##submission.dateSubmitted##: 30.03.2022
- ##submission.dateAccepted##: 30.03.2022
- ##submission.datePublished##: 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
如何引用文章
全文:
详细
The issue of rehabilitation of abandoned agricultural lands in Georgia is currently topical. In the rehabilitated areas there are grapes, intensive orchards and various plantation crops planted. Rehabilitation includes clearing the soil from plants and root systems, deep tillage, setting up a ridge and preparing the soil for planting seedlings. It is known that out of agricultural work the cultural and technical work is characterized by the highest energy and labor costs. One of such energy-intensive operations in land rehabilitation technology is cleaning the soil from the root system of plants. Despite technical progress, a number of problematic issues in the design and manufacture of machinery for some agricultural work have not yet been resolved. The fact is that in soil rehabilitation there are used the machines, which working bodies do not take into account in their design the rheological parameters of the treated medium. As a result, there is non-technological work with high energy consumption and mechanical erosion of the pro-cessed medium. Often there are expensive, wide-cut mulchers of European production with hammer-shaped working bodies. Its use contradicts the theory of cutting and crushing the soil and gives especially negative results when processing soil with high humidity.
The paper presents a technology and a system of machinery for the rehabilitation of abandoned agricultural areas. The basic principles of designing existing machinery for land rehabilitation are considered. The prerequisites for the design of the working bodies of rotary agricultural machines operating in an elastic-plastic medium are presented. It is noted that the basis for the creation of tillage machines should be the rheological and mechanical parameters of the treated medium. Using the theory of impact, the process of interaction between cutting knives and the root system of a plant in a soil environment was investigated. An analytical image for calculating the impact force was obtained.
全文:
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.
作者简介
T. Natriashvili
Rafiel Dvali Institute of Machine Mechanics
编辑信件的主要联系方式.
Email: rdimmg@yahoo.com
Dsc in Engineering
格鲁吉亚, TbilisiZ. Makharoblidze
Rafiel Dvali Institute of Machine Mechanics
Email: rdimmg@yahoo.com
Dsc in Engineering
格鲁吉亚, TbilisiV. Margvelashvili
Rafiel Dvali Institute of Machine Mechanics
Email: rdimmg@yahoo.com
PhD in Engineering
格鲁吉亚, TbilisiS. Sharashenidze
Rafiel Dvali Institute of Machine Mechanics
Email: rdimmg@yahoo.com
PhD in Engineering
格鲁吉亚, Tbilisi参考
- Mul’chery i izmel’chiteli pney [Mulchers and stump grinders]. URL: https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=1329#second-nav-recommend (accessed: 11.09.2021).
- Gol’dsmit V. Udar. Teoriya i fizicheskiye svoystva udaryayemykh tel [Impact. Theory and physical properties of impacted bodies]. Moscow. Izdatel’stvo literatury po stroitel’stvu Publ. 1965. 447 p.
- Makharoblidze R.M. Metody teorii udara i reologii v zemledel’cheskoy mekhanike [Impact theory and rheology methods in agricultural mechanics]. Tbilisi. «Intellekt» Publ. 2006. 314 p.
- Sineokov G.N., Panov I.M. Teoriya i raschet pochvoobrabatyvayushchikh mashin [Theory and calculation of tillage machinery]. Moscow. Mashinostroyeniye Publ. 1977. 326 p.
- Kormshikov A.D. Mekhanizatsiya obrabotki pochvy na sklonakh [Mechanization of tillage on slopes]. Cheboksary. Chuvashskoye knizhnoye izdatel’stvo. Publ. 1981. 125 p.
补充文件
![](/img/style/loading.gif)