Показатели эффективности применения устройств внешнего воздействия на процесс налипания почвогрунтов к рабочим органам сельскохозяйственных машин. Графическая интерпретация удельной энергоемкости процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности.
Аннотация к работе
Показатели эффективности оборудования внешнего воздействия для снижения адгезии грунтов к рабочим органам машинВ данной статье приведены показатели эффективности применения устройств внешнего воздействия, влияющих на процесс налипания почвогрунтов 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.Ко второй группе относятся методы, способствующие ослаблению адгезионных связей вследствие внешнего воздействия и приводящие к изменению свойств поверхностных слоев и фаз. Удельная энергоемкость процесса сдвига почвогрунта по металлической поверхности рабочего органа при смерзании определяется следующим выражением [1]: (1) где NCYMM - суммарные затраты мощности устройств внешнего воздейсвтия, затрачиваемая на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения, КВТ; Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения при комбинированном (вибротепловом) воздействии: (4) где NТИ - суммарная мощность вибротепловых устройств внешнего воздействия, КВТ; 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. Годовые текущие затраты потребителя новых устройств и машин без учета отчислений на реновацию определяются: (8) где ЗЗП - заработная плата водителя-оператора, руб.; ЗКР - затраты на капитальный ремонт, руб.; ЗЭР - затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб.; ЗТ - затраты на топливо и смазочные материалы, руб.; ЗМГ - затраты на масло для гидросистемы, руб.; ЗПБ - затраты на перебазировки машин, руб.
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 < JL<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 NCYMM - суммарные затраты мощности устройств внешнего воздейсвтия, затрачиваемая на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения, КВТ;
SСДВ - площадь сдвигаемого образца почвогрунта, м2.
Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения при тепловом воздействии: (2) где NH.Э. - мощность нагревательных элементов устройств внешнего воздействия, КВТ (рис.1);
КВ - коэффициент, учитывающий эффективное время работы нагревательных элементов устройств внешнего воздействия;
NСДВ - мощность, затрачиваемая на сдвиг образца почвогрунта, КВТ.
(3) где А - работа, затрачиваемая на сдвиг образца почвогрунта, КДЖ;
t - продолжительность сдвига образца почвогрунта, с;
PC - 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 NТИ - суммарная мощность вибротепловых устройств внешнего воздействия, КВТ;
NИС - 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 NАИ - мощность акустического излучателя, КВТ.
Суммарные затраты мощности устройств внешнего воздействия на процесс сдвига почвогрунта по поверхности скольжения при вибрационном низкочастотном воздействии: (6) адгезия грунт сельскохозяйственная машина где NBB - 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 NУД = 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.; ЗК - капитальные затраты, связанные с производством, доставкой и монтажем техники, руб.; ЕН - 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 ЗЗП - заработная плата водителя-оператора, руб.; ЗКР - затраты на капитальный ремонт, руб.; ЗЭР - затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб.; ЗТ - затраты на топливо и смазочные материалы, руб.; ЗМГ - затраты на масло для гидросистемы, руб.; ЗПБ - затраты на перебазировки машин, руб.
Годовая эксплуатационная производительность новых устройств и машин рассчитывается по формуле: (9) где BЭЧ - эксплуатационная часовая производительность новых устройств и машин, ед. прод. /машино-час.; КПР - коэффициент, учитывающий простои в работе, не учтенные в часовой эксплуатационной производительности, КПР = 0,78; ТГ - 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; ТВОЗД=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°С; ТВОЗД=15 с).
Часовая эксплуатационная производительность машины определяется: (10) где ВТЧ - часовая техническая производительность машины, ед. прод. /час; КТ - 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