От живых прототипов – к рабочим органам почвообрабатывающих машин

Доклад

На международную научную конференцию

От живых прототипов – к рабочим органам почвообрабатывающих машин

Бабицкий Л.Ф., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации и технического сервиса в АПК Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского»

E-mail: kaf-meh@rambler.ru

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования, науки и молодежи Республики Крым в рамках научного проекта № 18-48-910001.

Введение. В технологиях возделывания сельскохозяйственных культур одной из наиболее энергоемких операций является обработка почвы. Несмотря на предлагаемые в последнее время различные виды немеханического воздействия на почву (ультразвук, электроискровое и магнитное) основным способом воздействия на почву при её обработке остается механический. Он же положен в основу процесса рытья и разрушения почвы обитающих в ней животных и насекомых [1]. Поэтому механическое воздействие на почву должно рассматриваться в процессе функционирования агробиологической системы в экологическом аспекте. Системный подход к рассмотрению механического воздействия на почву позволит на основе исследования физико-механических свойств почвы обосновать оптимальные параметры малоэнергоемких рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Цель исследований. На основе рассмотрения бионической системы в земледельческой механике найти общие принципы и закономерности создания малоэнергоемких рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Материал и методы исследований. Исследования базируются на постулатах общей теории систем с рассмотрением составляющих подсистем, используются методы механики сплошной среды, принципы и методы бионики, земледельческой механики, реологии, интегрального и дифференциального исчисления.

Результаты исследований. Развито новое направление в земледельческой механике, заключающееся в биосистемном подходе к созданию и совершенствованию рабочих органов почвообрабатывающих машин [2]. При биосистемном подходе процессу создания новых рабочих органов почвообрабатывающих машин предшествует выбор бионических прототипов и изучение форм и параметров их роющих конечностей. Природа представляет множество примеров изумительной приспособленности животных и насекомых к выполнению их функциональных действий. Наиболее близкими бионическими прототипами рабочих органов почвообрабатывающих машин по функциональному назначению являются роющие конечности крота, медведки, жука-носорога, червя и других. В процессе бионического подхода живые прототипы вводятся в бионическую систему с функционированием почвообрабатывающего рабочего органа. Объединяя составляющие подсистем, бионическую подсистему в земледельческой механике можно представить в следующем виде:

Рис. 1. Схема бионической системы в земледельческой механике

С целью аналитического описания процесса взаимодействия рабочего органа с почвой рассматривается их реологическая связь с параллельным соединением упругой, вязкой и пластической составляющих [3]. Тогда уравнение, описывающее бионическую подсистему «рабочий орган – почва» с реологической связью будет иметь следующий вид:

(1)

где – напряжение в почве;

– упругая составляющая (тело Гука);

ɳ – вязкая составляющая (тело Ньютона);

– пластическая составляющая (тело Сен-Венана);

– модуль деформации почвы;

– относительная деформация;

– коэффициент вязкости.

Составляющие реологической связи оцениваются коэффициентами, учитывающими величины влияния (значимость) упругих, вязких и пластических свойств.

Для возникновения и поддержания колебательного процесса в бионико-механической системе вводится колебательный упруго-ударный механизм (по прототипу механизма сердца) в соответствии с фазами сжатия и скола (разрушения, сдвигов) блоков почвы.

Рис. 2. Схема самонастраивающейся бионико-реологической связи (с обратной связью)

Реологическое уравнение самонастраивающейся бионической подсистемы (Рис. 2) примет следующий вид:

, (2)

где – ударная (импульсная) составляющая.

, (3)

где – коэффициент диссипации (рассеяния) силы при ударе на деформацию и разрушение противодействующей почвы.

, (4)

где – деформационный показатель почвы до обработки;

– деформационный показатель почвы после ее обработки.

, (5)

где Е – модуль деформации почвы;

– коэффициент бокового расширения почвы.

Для оценки степени влияния упругой, вязкой и пластической составляющих вводим коэффициенты степеней влияния, соответственно , , .

Тогда уравнение бионической подсистемы примет следующий вид:

. (6)

Полученные уравнения описывают связь напряжений и деформаций в почве в процессе воздействия на неё рабочих органов. С использованием теории контактных деформаций это дает возможность обосновать оптимальные формы и параметры рабочих органов почвообрабатывающих машин. Биосистемный подход позволил обосновать оптимальные параметры рабочих органов зубчатых культиваторов-плоскорезов (прототипы медведка и жук-носорог) [4], гибко-ударной бороны (прототип дождевой червь) [5], маятниково-ударных рыхлителей почвы.

Выводы. Развито новое научное направления в земледельческой механике, заключающееся в биосистемном подходе к созданию малоэнергоемких рабочих органов почвообрабатывающих машин с использованием принципов и методов бионики. Получены аналитические выражения, описывающие бионическую подсистему «рабочий орган – почва» с реологической связью при пассивном и виброударном воздействии на почву с использованием новой характеристики деформационных свойств – деформационного показателя почвы. По прототипу с роющими конечностями животных и насекомых-землероев обоснованы оптимальные параметры малоэнергоемких рабочих органов зубчатых культиваторов-плоскорезов, маятниково-ударных рыхлителей почвы, гибко-ударной бороны.

Список использованных источников

1. Бабицький Л.Ф. Біонічні напрями розробки ґрунтообробних машин / Бабицький Л.Ф. – Київ: Урожай, 1998. - 162 с. ISBN № 966-05-0063-7.

2. Бабицкий Л.Ф. Бионико-механические основы сельскохозяйственных машин. Теория и методы. LAP LAMBERT Academic Publishing, Deutschland / Германия, 2016. – 384 с. ISBN №978-3-659-85703-4.

3. Рейнер М. Реология / Рейнер М. – М: Наука, 1965. – 220 с.

4. Патент на изобретение 2571203 Российская федерация. МПК А01В 13/08 Рабочий орган плоскореза-глубокорыхлителя / Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В. - Заявл. 16.07.2014. Опубл. 20.12.2015, Бюл № 35. – 6 с.

5. Патент на изобретение 2605772 Российская Федерация МПК А01В 31/00. Гибкая борона / Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В. – Заявл. 29.07.2015. Опубл. 27.12.2016. Бюл. №36. – 4 с.