УСТРАНЕНИЕ НАЛИПАНИЯ ГРУНТА НА РАБОЧИЕ ОРГАНЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН С ПОМОЩЬЮ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Зеньков С.А.¹, Минеев Д.А.²

¹ORCID: 0000-0002-4948-0223, Кандидат технических наук, доцент, ²Студент, Братский государственный университет

УСТРАНЕНИЕ НАЛИПАНИЯ ГРУНТА НА РАБОЧИЕ ОРГАНЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН С ПОМОЩЬЮ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Аннотация

В данной статье рассматривается вопрос влияния вибротеплового воздействия от пьезокерамических излучателей на процесс налипания почвогрунтов к рабочим органам сельскохозяйственных машин. Проведена экспериментальная работа и получены значения функции отклика- времени отрыва почво грунта от влияния влажности и времени примерзания грунта.  После обработки эксперимента были получены математические модели зависимостей, представлена графическая интерпретация вибротеплового воздействия от  пьезокерамических излучателей и сделаны выводы о целесообразности  применения пьезокерамических излучателей.

Ключевые слова: пьезокерамика, излучатель, адгезия, сельскохозяйственная машина, почвогрунт.

Zenkov S.A.¹, Mineev D.A.²

¹ORCID: 0000-0002-4948-0223, PhD in Engineering,  Associate professor, ²Student, BratskStateUniversity

ELIMINATING BUILDUP OF SOIL ON THE WORKING BODIES OF FARM MASHINES USING PIEZOCERAMIC EMITTERS

Abstract

This article discusses the effect of the impact of thermal vibration piezoceramic oscillators on the process of adhesion of soil to the working bodies of agricultural machines. The experimental work and obtained values of response- soil separation time from the effects of humidity and time of soil freezing. After the experiment, the processing mathematical model dependencies have been obtained, provided graphic interpretation thermal vibration effects of piezoceramic oscillators conclusions about the appropriateness of piezoceramic oscillators. In this article application of piezoceramic oscillators for fight against adhesion of soil to working bodies of farm machines is considered. Also experiment was executed, and experimental data are obtained. After processing regularities were received and graphic display of use of piezoceramic oscillators is constructed. Further conclusions that use of piezoceramic oscillators more useful from the point of view of compactness and uniformity of an arrangement on surfaces of working body than, for example, use of means existing at present for heating or vibration influence are drawn.

Keywords: piezoelectric, oscillator, adhesives, farm equipment, soils.

Введение. Рыхление влажных связных почвогрунтов (особенно при минусовой температуре) приводит к налипанию и намерзанию (адгезии) почвогрунта на рабочие органы сельскохозяйственных машин, что значительно снижает  их производительность. Также увеличивается  сопротивления при резании (копании) в результате прилипания влажного почвогрунта к рабочему органу сельскохозяйственной машины и возрастают простои машин вследствие необходимости очистки рабочих органов. Существует четыре группы методов снижения адгезии почвогрунтов к поверхностям рабочих органов сельскохозяйственных машин: методы, создающие на границе контакта промежуточный слой; методы, приводящие к  ослаблению адгезионных связей при внешнем (интенсифицирующем) воздействии; конструкторско-технологические методы; комбинированные методы. По характеру и принципу действия методы и средства для борьбы с прилипанием и примерзанием почвогрунтов к рабочим органам сельскохозяйственных машин  можно классифицировать на профилактические и средства,  очищающие рабочий орган  .Установлено, что наиболее эффективными являются комбинированные методы, сочетающие в себе достоинства двух и более методов и, в частности, вибротепловой [1-4].

В статье анализируется применение высокочастотного воздействия, относящегося к комбинированным методам (сочетание высокочастотной вибрации и нагрева). Комбинированное воздействие создается пьезокерамическим излучателем, который включает в себя  две керамические пластины, верхнюю накладку  из дюралюминия, нижнюю накладку  из стали 45 и прокладки  толщиной 0,2…0,3 мм из мягкой фольги.  Пьезокерамические пластины и накладки скреплены между собой  центральным болтом. В качестве пьезоэлементов применены кольца из массы ЦТС-19 со следующими размерами: наружный диаметр кольца 50 мм, внутренний диаметр кольца 20 мм[1].

Рис. 1 - Схема лабораторного стенда: 1 – пьезокерамический излучатель ПП-0,063(37);  2 – имитатор рабочего органа; 3 – грунтовый образец

 

Материалы и методы.  Проведение экспериментов осуществлялось на лабораторном стенде при различной температуре наружного воздуха (-10⁰С, -15⁰С, -20⁰С). В  испытаниях использовался почвогрунт суглинок дисперсный, связный, определенной весовой влажности X₁(W=7,5%; 12,5%; 17,5%).

Исходный почвогрунт при подготовке к эксперименту подвергался дополнительной обработке для достижения стабильности механических свойств для всей серии экспериментов с данным типом почвогрунта. Подготовка почвогрунта к эксперименту включала: доведение весовой влажности почвогрунта до требуемой по условиям эксперимента; уплотнение почвогрунта в приборе Союздорнии для стандартного уплотнения по ГОСТ 22733-2002 до С_уд=3…6 ударов ударника ДорНИИ.

Порядок проведения экспериментов был следующим (см. рис. 1): бюкса с образцом почвогрунта 3 определенной весовой влажности устанавливался на модель рабочего органа 2 с пьезокерамическим излучателем 1 и замораживался при определенной температуре в течение периода времени X₂ от 5 до 15 минут. По истечении этого времени включался пьезокерамический излучатель и замерялось время Y в секундах(с), по истечении  которого грунтовый образец отрывался от поверхности модели рабочего органа.

Анализ априорной информации показал, что для проведения активного эксперимента с целью получения математической модели может быть выбран симметричный квази - D - оптимальный план для двухфакторной модели с N = 13 и  соответствующие уровни и интервалы варьирования факторов. Для нахождения неизвестных коэффициентов уравнения  регрессии применялся  программный комплекс ModelNR.

Результаты. В результате обработки были получены  уравнения регрессии  времени начала отрыва почвогрунта от влияния следующих факторов:

весовой влажности почвогрунта - при t⁰окр. среды -20⁰ - при t⁰окр. среды -15⁰ - при t⁰окр. среды -10⁰ времени примерзания почвогрунта - при t⁰окр. среды -20⁰ - при t⁰окр. среды -15⁰ - при t⁰окр. среды -10⁰

На рис.2,3 представлена графическая интерпретация уравнений регрессии, полученных после математической обработки экспериментальных данных  с помощью программы AdvancedGrapher.

Рис. 2 - График зависимости времени отрыва почвогрунта от его весовой влажности при t⁰окр. среды -20⁰ (1); -15⁰ (2); -10⁰ (3)

 

Из графика видно, что для отрыва грунтового образца с весовой влажностью 7,5%, по окончанию периода примерзания 15 мин, от поверхности имитатора рабочего органа не зависимо от температуры окружающей среды   требуется наибольшее время воздействия излучателя, т.к. в почвогрунте малое количество  воды и образец не только примерзает к металлу, а также происходит прилипание, в связи с чем необходимо большее количество энергии для подсушивания почвогрунта в месте контакта с металлом. Для почвогрунта с весовой влажностью 17,5% необходимо меньше времени воздействия излучателя, т.к. у более влажных почвогрунтов прочность примерзания  почвогрунта  к металлу обуславливается прочностью льда, а, как известно[1-4], при вибротепловом воздействии на замороженный почвогрунт в первую очередь происходит разрушение льда, содержащегося в почвогрунте.  На графике также видно, что для почвогрунта с весовой влажностью 12,5% необходимо наименьшее время воздействия, т.к. воды в почвогрунте еще не достаточно для прочного примерзания к металлу, но уже не происходит процесс прилипания почвогрунта, т.к вода замерзает быстрее.

Рис. 3 - График зависимости времени отрыва грунта от времени примерзания почвогрунта при t⁰окр. среды -20⁰ (1); -15⁰ (2); -10⁰ (3)

 

Анализ графика, представленного на рис.3, показывает, что при температуре наружного воздуха, понижающейся от -10⁰ до -20⁰ (грунтовый образец с весовой влажностью, равной 17,5%, соответствует естественной влажности для данного типа почвогрунта), с ростом времени примерзания, увеличивается  продолжительность воздействия излучателя для отрыва образца от поверхности модели рабочего органа. Данный факт обуславливается тем, что при отрицательной температуре время замерзания воды в грунтовом образце прямо пропорционально понижению температуры наружного воздуха.

На основании полученных экспериментальных данных спроектировано устройство с установкой на нем пакетных пьезокерамических излучателей [2], которые размещены на рабочем органе сельскохозяйственной машины.  В конструкции применены пьезокерамические излучатели, размещенные в подготовленных отверстиях в рабочем органе и закрепленные в них центральным болтом.  Набор пьезокерамических излучателей создает продольные колебания, которые передаются центральному болту, а в результате нагрева пьезокерамической массы происходит и нагрев центрального болта. В результате этого поверхность центрального болта является одновременно источником теплового и вибрационного воздействия, что значительно снижает налипание почвогрунта на  поверхность рабочего органа сельскохозяйственной машины.

Выводы. Использование пьезокерамических излучателей более выгодно с точки зрения компактного и равномерного размещения по поверхности рабочего органа чем, к примеру, использование существующих на данный момент средств для обогрева рабочего органа или вибрационного воздействия. Техническая производительность сельскохозяйственных машин с пьезокерамическими излучателями для снижения адгезии при работе на влажных почвогрунтах при отрицательной температуре в 1,2…1,4 раза больше [2], чем у машин, не оборудованных таким устройством, Экономический эффект от их внедрения обусловлен повышением производительности, поэтому целесообразно говорить о  применения пьезокерамических излучателей для снижения адгезии почвогрунтов к рабочим органам сельскохозяйственных машин.

Список литературы / References

1. Science and Education [Text]: materials of the II international research and practice conference, Vol. I, Munich, December 18th-19th, 2012 / publishing office Vela VerlagWaldkraiburg – Munich – Germany, 2012 – 650 p.
2. Зеньков С.А. Методика расчета оборудования с акустическим воздействием для снижения адгезии грунтов к ковшам экскаваторов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2006. № 2-1 (26). С. 67-72.
3. Зеньков С.А., Товмасян Э.С. Математическая модель для определения параметров оборудования высокочастотного действия при проектировании ковшей экскаваторов // Современные проблемы теории машин. 2014. № 2. С. 41-44.
4. Зеньков С.А., Игнатьев К.А. Влияние ультразвукового воздействия на адгезию грунтов к рабочим органам землеройных машин. //Системы. Методы. Технологии. 2012. №2. С. 43-45

Список литературы на английском языке / References in English

1. Science and Education [Text] : materials of the II international research and practice conference, Vol. I, Munich, December 18th-19th, 2012 / publishing office Vela VerlagWaldkraiburg – Munich – Germany, 2012 – 650 p.
2. Zen'kov S.A. Metodika rascheta oborudovanija s akusticheskim vozdejstviem dlja snizhenija adgezii gruntov k kovsham jekskavatorov [Method of calculation of the equipment with acoustic influence for decrease in adhesion of soil to buckets of excavators] // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo  universiteta  [Bulletin of the Irkutsk state technical university]. 2006. T. 26. № 2-1. S. 67-72.[in Russian]
3. Zen'kov S.A., TovmasjanJe.S. Matematicheskaja model' dlja opredelenija parametrov oborudovanij avysokochastotnogo dejstvija pri proektirovanii kovshej jekskavatorov [Mathematical model for determination of parameters of the equipment of high-frequency action at design of buckets of excavators] // Sovremennye problem teorii mashin [Modern problems of the theory of cars]. 2014. № 2. S. 41-44. [in Russian]
4. Zen'kov S.A., Ignat'ev K.A. Vlijanie ul'trazvukovogo vozdejstvija na adgeziju gruntov k rabochim organam zemlerojnyh mashin [Influence of ultrasonic impact on adhesion of soil to working bodies of digging cars] //Sistemy. Metody.Tehnologii [Systems. Methods.Technologies]. 2012. №2.s. 43-45. [in Russian]