PERFORMANCE INDICATORS OF EQUIPMENT FOR EXPOSURE TO REDUCE THE SOIL ADHESION TO WORKING BODIES OF MACHINES

Зеньков С.А.

¹ORCID: 0000-0002-4948-0223, Кандидат технических наук, доцент

Братский государственный университет

ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АДГЕЗИИ ГРУНТОВ К РАБОЧИМ ОРГАНАМ МАШИН

Аннотация

В данной статье приведены показатели эффективности применения устройств внешнего воздействия, влияющих на процесс налипания  почво грунтов к рабочим органам сельскохозяйственных машин. Проведена экспериментальная работа, в результате которой  представлена графическая интерпретация удельной энергоемкости процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности от температуры в плоскости сдвига. Сделаны выводы о целесообразности применения устройств внешнего воздействия для снижения адгезии почвогрунтов к  рабочим органам сельскохозяйственных машин.

Ключевые слова: адгезия, почвогрунт, удельная энергоемкость, внешнее  воздействие, сельскохозяйственная машина.

Zenkov S.A.

ORCID: 0000-0002-4948-0223, PhD in Engineering, Associate professor

Bratsk State University

PERFORMANCE INDICATORS OF EQUIPMENT FOR EXPOSURE TO REDUCE THE SOIL ADHESION TO WORKING BODIES OF MACHINES

Abstract

This article shows the efficiency of application devices of external influence, affecting the process of adhesion of soil to the working bodies of agricultural machines. The experimental work, which resulted in the presented graphical interpretation of specific energy shift process Soils metal surface temperature in the shear plane. The conclusions about the appropriateness of the equipment to reduce the impact of external adhesion of soil to the working bodies of agricultural machines.

Keywords: adhesion, soils, energy intensity, external action, agricultural machine.

Введение. Причиной снижения производительности сельскохозяйственных машин при разработке и транспортировке влажных почвогрунтов и материалов является увеличение адгезии и трения при копании, выгрузке, перемещении и планировке. Адгезионные явления вызывают резкое увеличение сил трения, которые составляют 30-60% тягового усилия [1]. Поэтому в последнее время проблеме борьбы с прилипанием и примерзанием почвогрунта к рабочим органам сельскохозяйственных  машин уделяется большое внимание как в России, так и за рубежом [2,3].

Существующие методы снижения трения и прилипания можно раз­делить на четыре группы. Методы первой группы сводятся к созданию на границе контакта промежуточного слоя, который может служить экраном для молекуляр­ного взаимодействия фаз и должен обладать малым когезионным или адгезионным взаимодействием. Ко второй группе относятся методы, способствующие ослаблению адгезионных связей вследствие внешнего воздействия и приводящие к изменению свойств поверхностных слоев и фаз . К третьей группе относятся конструктивно-технологические и механические способы. Четвертая группа -  это совместное комбинирование методов снижения адгезии [4].

К внешним воздействиям относятся тепловое, вибрационное, электромагнитное. Тепловое воздействие широко используется главным образом для снижения примерзания. Вибрационное воздействие способствует разрушению адгезионных связей, снижает коэффициент трения и приводит к тиксотропным превращениям контактного слоя и связанным с этим трансформациям грунтовой влаги (переходу связанной воды в свободную). Поскольку большинство существующих методов снижения адгезии эффективно в узком диапазоне изменения влажности почвогрунтов, наиболее перспективным является комбинированный метод. Комбинация теплового и вибрационного воздействий снижает адгезионные силы в 3...3,5 раза, коэффициент трения суглинка по стали в 2,5 ... 4 раза и эффективна практически во  всем диапазоне изменения свойств и состояния почвогрунтов (0 < J_L<0,9).

Материалы и методы. Одним из критериев оценки эффективности работы устройств внешнего воздействия   является показатель его удельной энергоемкости. Удельная энергоемкость  процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности рабочего органа при смерзании определяется следующим выражением [1]:

                                                      (1)

где N_СУММ – суммарные  затраты мощности устройств внешнего воздейсвтия, затрачиваемая на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения, кВт;

S_СДВ – площадь сдвигаемого образца почвогрунта, м².

Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения  при тепловом  воздействии:

                                              (2)

где N_Н.Э. – мощность нагревательных элементов устройств внешнего воздействия, кВт (рис.1);

K_В – коэффициент, учитывающий эффективное время работы         нагревательных элементов устройств внешнего воздействия;

N_СДВ – мощность, затрачиваемая на сдвиг образца почвогрунта, кВт.

                                                 (3)

где А – работа, затрачиваемая на сдвиг образца почвогрунта, кДж;

t – продолжительность сдвига образца почвогрунта, с;

P_C – сопротивление сдвигу образца почвогрунта при соответствующем воздействии (по  результатам эксперимента [2-4]), кН;

L – перемещение образца почвогрунта, м.

Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения при комбинированном (вибротепловом) воздействии:

                                           (4)

где N_ТИ – суммарная мощность вибротепловых устройств внешнего воздействия, кВт;

N_ИС – мощность источника (генератора) вибротепловых (ультразвуковых) колебаний, кВт.

Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения при акустическом    (частота вибрации более 1000 Гц) воздействии:

                                          (5)

где N_АИ – мощность акустического излучателя, кВт.

Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения  при вибрационном низкочастотном воздействии:

                                           (6)

где N_ВВ – мощность привода вибрационных возбудителей колебаний, кВт.

Результаты. Результаты расчетов удельной энергоемкости процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности скольжения  от температуры в плоскости сдвига представлены в виде графиков зависимостей N_УД = f(T) на рис. 1-2. Анализ     полученных зависимостей показал, что удельная энергоемкость процесса   сдвига почвогрунта  при комбинированном (вибротепловом) воздействии на 10…15% меньше удельной  энергоемкости при  тепловом воздействии, а при температуре в плоскости сдвига меньше -5°С  на 45...80% меньше  удельной энергоемкости процесса сдвига без внешнего воздействия.

Экономическая эффективность новых устройств и машин  максимальна при:

                                      (7)

где И – годовые текущие затраты потребителя без учета отчислений на реновацию техники, руб.; З_К – капитальные затраты, связанные с производством, доставкой и монтажем техники, руб.; Е_Н – нормативный коэффициент эффективности;  Р – доля отчислений на реновацию от капитальных затрат; В^” – годовая эксплуатационная производительность новых устройств и машин.

Годовые текущие затраты потребителя новых устройств и машин без учета отчислений на реновацию определяются:

                                  (8)

где З_ЗП – заработная плата водителя-оператора, руб.; З_КР – затраты на капитальный ремонт, руб.; З_ЭР – затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб.; З_Т – затраты на топливо и смазочные материалы, руб.; З_МГ –затраты на масло для гидросистемы, руб.; З_ПБ – затраты на перебазировки машин, руб.

Годовая эксплуатационная производительность новых устройств и машин рассчитывается по формуле:

                                         (9)

где  b_ЭЧ – эксплуатационная часовая производительность новых устройств и машин, ед.прод./машино-час.;          k_ПР – коэффициент, учитывающий простои в работе, не учтенные в часовой эксплуатационной производительности, k_ПР = 0,78;  Т_Г – количество машино-часов работы в году, машино-час.

Рис. 1 –  Зависимость удельной энергоемкости процесса сдвига грунта по металлической поверхности скольжения от температуры в плоскости сдвига: 1 – без     внешнего воздействия; 2 – при тепловом воздействии (Т=85°С; t_ВОЗД=26 с).

Рис. 2 –  Зависимость удельной энергоемкости процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности скольжения от температуры в плоскости сдвига: 1 – без      внешнего воздействия; 2 – при комбинированном (вибротепловом)  воздействии (F=21,8МГц; A=0,005 мм; Т=20°C; t_ВОЗД=15 с).

Часовая эксплуатационная производительность машины определяется:

                                              (10)

где В_ТЧ – часовая техническая производительность машины, ед.прод./час; k_Т – коэффициент перехода от технической производительности к эксплуатационной.

Часовая техническая производительность характеризует наивысшую  производительность  устройств и машин за один час непрерывной работы, которая может быть достигнута в конкретных условиях.

Выводы. Проведенные исследования показали, что техническая производительность сельскохозяйственных машин с устройством внешнего воздействия для снижения адгезии почвогрунтов при работе на влажных почвогрунтах при отрицательной температуре в 1,2…1,4 раза больше, чем у сельскохозяйственных машин, не оборудованных подобным устройством, т.е. экономический эффект от их внедрения обусловлен повышением производительности.

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 Verlag Waldkraiburg – Munich – Germany, 2012 – 650 p.
2. Zen'kov S.A. Metodika rascheta oborudovanija s akusticheskim vozdejstviem dlj asnizhenija adgezii gruntov k kovshamj ekskavatorov [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 oborudovanija vysokochastotnogo dejstvija pri proektirovanii kovshejj ekskavatorov [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]