Бионическое обоснование гибкой бороны на основе коэффициента адаптационной наработки

УДК 331.4

БИОНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИБКОЙ БОРОНЫ НА ОСНОВЕ КОЭФФИЦИЕНТА АДАПТАЦИОННОЙ НАРАБОТКИ

Бабицкий Л. Ф., доктор технических наук, профессор;

Соболевский И. В., кандидат технических наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»

Статья раскрывает биосистемный анализ надёжности конструкции рабочих органов гибкой бороны на основе коэффициента адаптационной наработки, который позволяет максимально адаптировать рабочие органы к агротехнологическим требованиям выполнения технологической операции поверхностного боронования в системе почвозащитного земледелия технологии «mini-till».

Ключевые слова: рабочий орган, гибкая борона, биосистемный подход, коэффициент адаптационной наработки.

BIONIC RATIONALE FLEXIBLE HARROWS ON THE BASIS OF THE COEFFICIENT ADAPTATION PRACTICES

Babitsky L. F., Doctor of Technical Sciences, Professor;

Sobolevsky I. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»

The article reveals the bio system analysis on the reliability of design of the working bodies flexible harrows on the basis of the coefficient adaptation practices, which allows us to adapt the working bodies of agricultural technology to the requirements of the technological operations of surface harrowing in the system of conservation agriculture technologies «mini-till».

Keywords: body work, flexible harrow, bio systems approach, the coefficient adaptation practices.

Введение. Снижение урожайности основных сельскохозяйственных культур на землях Республики Крым, в результате ухудшения плодородия почв, связанного с их эрозией, потерей влаги и уменьшением водопроницаемости проявляется в большей мере на почвах степной зоны. Производство сельскохозяйственной продукции на землях степной территорий Республики Крым в настоящее время базируется на широком использовании устаревших технологий и технических средств.

Исходя из требований охраны почв и предупреждения их деградации, условий рельефа, необходимости поддержания высокой продуктивности земель степной зоны, задача разработки и применения почвозащитных и ресурсосбе-

регающих технологий и почвообрабатывающих машин, способных эффективно работать в условиях степного Крыма становится весьма актуальной.

Ресурсосберегающие технологии неразрывно связаны с применением минимальной обработки почв, разработкой и использованием комбинированных машин и орудий, которые обеспечивают выполнение нескольких технологических операций, необходимых для защиты и повышения плодородия.

При данных технологических операциях основную роль приобретают экологические требования, направленные на сохранение и улучшение плодородия пахотных земель в степной зоне. Однако, по данному направлению недостаточно изучены принципы создания безопасных и надёжных рабочих органов, которые бы адаптировано функционировали в экосистеме. При этом, важная роль в системе обеспечения надёжности принадлежит оптимальному конструированию элементов рабочих органов машин с использованием нетрадиционных решений. В данном аспекте, для создания адаптированных и надёжных сельскохозяйственных машин, необходимо проводить исследования биологических объектов на основе бионики и теории надёжности [1].

Объекты и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс поверхностного рыхления почвы рабочими органами гибкой бороны, которые разработаны по бионическому подобию на основе коэффициента адаптационной наработки. Экспериментальные исследования в почвенном канале проводились методом сравнительных опытов, а также планированием многофакторного эксперимента.

Результаты и обсуждение. В настоящее время производство растениеводческой продукции на пахотных землях Крыма базируется на использовании традиционных технологий и технических средств. Современные технологии обработки почвы предусматривают до 12 полевых операций в год с применением энергонасыщенных, металлоёмких, комбинированных машинно-тракторных агрегатов обеспечивающих полный либо частичный оборот пласта почвы в эрозионно опасных местах. Это приводит к увеличению деформации пахотного и подпахотного слоя почвы, его уплотнению и распылению на мелкие почвенные агрегаты. В связи с этим, полученный при традиционной обработке почвы пахотный слой не создаёт необходимых условий для регулирования фильтрационных свойств почвы и ускоряет процессы эрозии в зонах рискованного земледелия, вследствие низких водопроницаемости верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемости порывам ветра. Эта проблема приводит, с течением времени, к снижению плодородия почвы, которая в свою очередь интенсифицирует использование чёрного или занятого паров. Так же происходит деструктуризация пахотного слоя из-за большого количества проходов почвообрабатывающих технических средств в течение вегетативного периода и образование так называемой «подплужной подошвы». Образовавшийся в таких условиях слой почвы обеднён гумусом и постоянно подвержен ускоренной эрозии, как ветровой, так и водной.

Альтернативным решением является обработка почвы без оборота пласта и комплекс машин, которые выполняют технологические процессы основной обработки почвы по аналогии с роющими конечностями насекомых, обитающих в гумусообразующем слое земли и дождевыми червями. В отличие от почвообрабатывающих технических средств, обеспечивающих оборот пласта, безотвальные орудия, сохраняя на поверхности поля стерню и растительные остатки, получают всё большее распространение в системе почвозащитной обработки почвы для снижения эрозионных процессов и улучшения экологической обстановки.

В Крыму внедрение системы земледелия малоразрушающего рыхления почвы, сдерживается отсутствием адаптированных технических средств, способных выполнять комбинированные приёмы поверхностной обработки почвы и при этом минимизировать в ней эрозионные процессы.

При возделывании зерновых культур особое внимание уделяется предпосевному боронованию, обеспечивающему оптимальный водно-воздушный режим и эффективное уничтожение сорняков. Однако, существующие бороны выполняют сплошное формирование борозд, при этом разрушая связи между корневой частью стерни и пахотным слоем почвы, что ускоряет эрозионные процессы. При этом среднекаменистые почвы Крыма также интенсифицируют процесс износа самих рабочих органов борон.

Поэтому необходимо разрабатывать такие рабочие органы борон, которые способны сохранять сдерживающий «каркас» поверхностного слоя почвы состоящего из корневой системы оставшейся стерни, а так же обеспечивать дополнительную защиту своих рабочих органов.

При анализе технологий почвозащитной обработки почвы было установлено, что создание прерывистых борозд и лунок даёт возможность повысить водопроницаемость верхнего, обработанного слоя почвы и его сопротивляемость порывам ветра. На основе данных агротехнологических приёмов воздействия на верхний обрабатываемый слой почвы разработана принципиально новая конструкция бороны.

Конструкция такой бороны основана на двух принципах. Первый принцип заключается в создании рабочего органа по бионическому прототипу. Второй принцип - повышение надёжности рабочего органа на основе коэффициента адаптационной надёжности.

Биологическим прототипом данной конструкции бороны стал дождевой червь. За основу было взято строение отдельных сегментов тела червя с расположенными на их поверхности щетинками, которые цепляются за стенки подземного хода и не дают телу червя выскользнуть обратно.

В результате анализа принципа движения червя и строения его основных элементов тела, была разработана конструкция гибкой бороны. Она содержит раму 1 (рис. 1) и установленный на раме 1 с возможностью вращения цепной шлейф 2. Цепной шлейф 2 выполнен из основных звеньев 3 (рис. 2), имеющих

вид упругих круглых колец прямоугольного сечения 4, которые дополнительно соединены между собой промежуточными звеньями 5 имеющие вид двух взаимно перпендикулярных полуколец 6 и 7, выполненных из кольца, изогнутого вращением полуколец 6 и 7 относительно горизонтальной оси. На основных звеньях 3, симметрично относительно горизонтальной и вертикальной осей, расположены четыре пары разрыхляющих зубьев 8 с заостренными концами 9, каждая пара разрыхляющих зубьев 8 образована стержнем квадратного сечения 10 (рис. 3), изогнутым по кривой линии, которая имеет вид усеченного эллипса. Каждая пара разрыхляющих зубьев 8 дополнительно снабжена бы-стросъемным элементом крепления 11 к основному звену 3. Быстросъемный элемент крепления 11 может быть выполнен из верхней 12 и нижней 13 фиксирующих пластин и зажимного болта 14. Фиксирующие пластины 12 и 13 выполнены с прорезями 15 для разрыхляющих зубьев 8 и зажимного болта 14. Верхняя фиксирующая пластина 12 выполнена Г-образной и имеет проушину 16 для соединения с нижней фиксирующей пластиной 13.

И Я -

Рисунок 1. Гибкая борона

Гибкая борона работает следующим образом. Перед началом работы, в зависимости от состояния физико-механических свойств обрабатываемой почвы, с помощью быстросъемных элементов крепления 11 устанавливают на основные звенья 3 необходимое количество пар разрыхляющих зубьев 8 при условии их симметричности относительно вертикальной и горизонтальной осей.

Рисунок 2. Гибкая борона

В процессе работы, при движении гибкой бороны по полю, разрыхляющие зубья 8 за счет формы усеченного эллипса быстро заглубляются в почву с малым коэффициентом трения. Квадратное сечение разрыхляющих зубьев 8 обеспечивает интенсивное разрыхление почвы, за счет угловой кромки рабочей грани 9 (заостренные концы), при этом площадь деформации почвы увеличивается за счет прямоугольного сечения разрыхляющих зубьев 8 по сравнению с сечением круглой формы. При возникновении препятствий в виде больших комков и скоплений растительных остатков цепной шлейф 2 может отклоняться назад за счет основных звеньев 3, имеющих вид упругих круглых колец прямоугольного сечения 4, дополнительно соединенных между собой промежуточными звеньями 5, которые имеют вид двух взаимно перпендикулярных полуколец 6 и 7, которые имеют упругие свойства.

В цепном шлейфе 2 накапливается потенциальная энергия, которая переходит в кинетическую энергию, при предельном состоянии натяжения цепного шлейфа 2 за счет движения агрегата. При этом кинетическая энергия значительно больше энергии сопротивления препятствий, что вызывает колебания цепного шлейфа 2, которые обеспечивают интенсивное разрыхление больших комков и растительных остатков разрыхляющими зубьями 8. Промежуточные звенья 5, имеющие вид двух взаимно перпендикулярных полуколец 6 и 7 (рис. 4) обеспечивают постоянство упругих свойств круглых колец основных звеньев 3 прямоугольного сечения 4, за счет их взаимодействия между собой в процессе вращения цепного шлейфа 2, а также ограничивают перемещения основных звеньев 3 с разрыхляющими зубьями 8 в продольной оси вращения цепного шлейфа 2.

12

16

Рисунок 3. Схема крепления пары зубьев к основному звену

Рисунок. 4 Фрагмент цепного шлейфа

На участках поля, где есть уплотненная и твердая почва, необходимо увеличивать количество разрыхляющих зубьев 8, за счет этого будет расти зона деформации и количество проколов поверхности почвы. Почва теряет слитность, что приводит к снижению тягового сопротивления гибкой бороны и повышает степень измельчения почвы. За счёт круглых колец прямоугольного сечения 4 основных звеньев 3, которые имеют упругие свойства, борона легко переводится в транспортное положение без провисания.

Для обеспечения запаса надёжности гибкой бороны, используются два вида резервирования. Первый это структурно-функциональное резервирование, которое предусматривает применение резервных элементов - элементов вращения 2 цепного шлейфа бороны, дающих возможность ей вращаться таким образом, при котором обеспечивается создание определённых ударных импульсов упругими круглыми кольцами прямоугольного сечения 4, характер изменения которых варьируется на основе информации «плотность почвы - структура почвы».

Такие колебания обеспечивают положительный эффект при рыхлении почвы.

Второй вид - структурно-нагрузочное резервирование, которое также предусматривает применение резервных элементов в структуре рабочих органов гибкой бороны дающих возможность длительно выдерживать действующие на них нагрузки. Панцирная система роющих насекомых и строение отдельных сегментов тела червя с расположенными на их поверхности щетинками являются ярким примером структурно-нагрузочного резервирования. Анализ процесса рытья почвы дождевым червём показывает, что он начинает вонзать в почву переднюю часть, ударяя изнутри зевом, приводимым в действие с помощью гидродинамического механизма. Повышение давления от 20 до 137 Па позволяет наносить удары силой 85 Н. Проделывая брешь в почве, червь увеличивает давление в передней части тела, которая расширяется одновременно с образующимся отверстием. Повторяя описанные выше движения, червь продвигается в почве.

При этом щетинки, расположенные на поверхности отдельных сегментов тела червя цепляются за стенки хода и не дают телу червя выскользнуть обратно.

«Надёжность-качество», гибкой бороны обеспечивают двойные обратные связи взаимодействия показателей надёжности элементов подсистемы резервирования [2,3]. Такое взаимодействие повышает системную надёжность рабочих органов, так как выбранная кинематическая схема обеспечивает снижение появления существующих «известных» отказов. Это наглядно показывает схема структуры биосистемного анализа гибкой бороны на основе коэффициента адаптационной наработки (рис. 5).

Такое повышение надёжности конструкции описывается коэффициентом адаптационной наработки, который характеризует уровень оснащённости и приспособленности конструкции гибкой бороны к выполнению заданных тре-

бований и обратной величиной весового коэффициента интенсивности отказов всей системы - конструкции гибкой бороны.

Чем выше коэффициент адаптационной наработки, тем больше работоспособность гибкой бороны. При конструкции, созданной по бионическому подобию, он составляет 0,9.

Рисунок 5. Структурная схема биосистемного анализа рабочих органов гибкой бороны на основе коэффициента адаптационной наработки

Показатели работы данной конструкторской разработка подтверждаются лабораторными исследованиями, проведёнными на почвенном канале Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Во время проведения экспериментов влажность почвы W в канале была в пределах 14...19%, твердость р - 140...220 Н/см2, деформационный показатель почвы V - 1,73x10-7.2,75 х10-7 м2/Н.

При проведении экспериментов исследовалось взаимодействие гибкой бороны с почвой. Результаты исследования тягового сопротивления гибкой бороны при глубине обработки 7.11 см и скоростями движения 1.1,5 м/с приведены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние глубины обработки и скорости движения гибкой бороны на

её тяговое сопротивление

Глубина обработки, см Скорость движения, м/с Тяговое сопротивление Р, н

11 1,0 960,6

11 1,5 970,8

9 1,0 896,8

9 1,5 906

7 1,0 832,8

7 1,5 843,0

Из графика (рис. 6), построенного по данным таблицы 1, видно, что с увеличением глубины обработки почвы тяговое сопротивление увеличивается по линейному закону.

График показывает также, что кривая зависимости «тяговое сопротивление - глубина обработки» близка к прямой, поэтому её можно аппроксимировать линейной функцией [4,5]. Методом наименьших квадратов определены коэффициенты, в статистических оценках: а = 63,9, Ь = - 768,8 (для скорости движения 1 м/с) и Ь = - 778,8 (для скорости движения 1,5м/с) (рис. 6).

Окончательно эмпирическая зависимость имеет вид:

Р = 63М + 768,8,

где Р - тяговое сопротивление, Н;

h - глубина рыхления почвы рабочими органами гибкой бороны, см.

При этом достоверность аппроксимации оценивается коэффициентом детерминированности модели = 0,9999.

7 9 11 Глубина обработки, см

Рисунок 6. Зависимость тягового сопротивления рабочих органов гибкой бороны от величины глубины обработки почвы при скоростях движения 1 м/с и 1,5 м/с

Как видно из графика (рис. 6), наименьшее тяговое сопротивление гибкой бороны было получено при глубине обработки 7 см и скорости 1 м/с. Это рациональное значение глубины обработки почвы при использовании технологии «mini-till».

Результаты качества обработки почвы показали следующие результаты. Перемещаясь вместе с орудием, рабочие органы гибкой бороны в шахматном порядке прорывают полусферические борозды (рис.7, б), высвобождаясь для свободного вращения, прерывая образование борозды и сохраняя, таким образом, перемычку. В результате образуются прерывистые борозды необходимые для задержания как талых, так и дождевых вод, предотвращая активный фронт испарения. При этом не наблюдается образование постоянного активного подтока влаги из нижележащих горизонтов.

а б

Рисунок 7. Испытания экспериментальных рабочих органов гибкой бороны в почвенном канале: а — установка рабочих органов для проведения испытаний; б — обработанная поверхность почвы в канале после прохода рабочих органов гибкой бороны

Экспериментальные исследования рабочих органов гибкой бороны при поверхностной обработке почвы показали следующее: средняя глубина рыхления находится в пределах заданной - 7,3 см, при очень высоком коэффициенте равномерности рыхления - 93,5 %, среднее квадратическое отклонение не превышает нормы (±1 см); высота гребней соответствует агротехническим требованиям до 4 см; почвенная корка разрушена только в зонах, где были проходы зубьев и колец с образованием полусферических борозд, при этом распыление почвенных агрегатов было минимальным - 32%.

Выводы. Биосистемный подход к созданию новых типов почвообрабатывающих рабочих органов позволил разработать конструктивные элементы гибкой бороны по прототипу дождевого червя с повышенной степенью подвижности. Применение рабочих органов гибкой бороны, разработанных с учётом коэффициента адаптационной наработки по бионическому подобию, позволят не только повысить эксплуатационную надёжность, но и дополнительно использовать её как при ранневесеннем бороновании, так и при предпосевной обработке стерневого фона почвы при применении технологии «mini-till» для закрытия и задержания влаги.

Список использованных источников:

1. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Бионическое обоснование путей совершенствования сельскохозяйственных машин на основе коэффициента адаптационной наработки // Науковi пращ Ивденного фшалу На-цюнального ушверситету бюресуршв i природокористування Украши «Крим-ський агротехнолопчний ушверси-тет». - Техшчш науки. Випуск 162. - амферополь: ВД «АР1АЛ», 2014. -с.197-205.

2. Бездольный Н. И. Патент Российской Федерации № 2050081, A01B19/02. Гибкая борона / подача заявки: 1988-11-29; публикация патента: 20.12.1995 [Электронный ресурс] URL: http://www.freepatent.ru/ patents/2050081.

3. Бабицкий Л. Ф., Соболевский И. В. Разработка комплекса почвообрабатывающих рабочих органов на основе бионики для экологиче-

List of references:

1. Babitsky L. F., Sobolevsky I.V. Bionic substantiation of ways of improvement of agricultural machinery on the basis of the coefficient adaptation practices // proceedings of the southern branch of National University of bioresources and nature management of Ukraine «Crimean agrotechnological University». - Technical Sciences. Issue 162. - Simferopol: WA «ARIAL», 2014. - p.197-205.

2. Bezdolny N. I. The patent of Russian Federation № 2050081, A01B19/02. Flexible harrow / submissions: 1988-11-29; publication of pa tent application: 20.12.1995 [Electronic resource] URL: http://www.freepatent. ru/patents/2050081.

3. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V. development of a complex of soil-cultivating working bodies on the basis of bionics for organic agriculture // international forum «Crimea Hi-Tech

ского земледелия // Международный форум «Крым Hi-Tech - 2014». Сборник тезисов докладов. - М.: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2014. - с. 106-108.

4. Бабицький Л. Ф., Соболевсь-кий I. В., Москалевич В. Ю. Рекомен-дацп з впровадження у виробництво ротацшних розпушувачiв грунту // Мшютерство аграрно! полiтики АРК. Ивденний фiлiал Нацiо-нального унiверситету бiоресурсiв i природоко-ристування Укра!ни «Кримський агро-технологiчний унiверситет». - Омфе-рополь, 2013. - 16 с.

5. Бабицкий Л. Ф., Москалевич В. Ю., Соболевский И. В. Основы бионических исследований: учебник // Симферополь: ПП «Антиква», 2014. - 328 с.

- 2014». The book of abstracts. - M.: Ministry of education and science of the Russian Federation, 2014. - p. 106-108.

4. Babitsky L. F., Sobolevsky I. V., Moskalewich V. Y. Recommendations on introduction in manufacture of the rotary Ripper soils // the Ministry of agrarian policy of the ARC. Southern branch of National University of bioresources and nature management of Ukraine «Crimean agrotechnological University». - Simferopol, 2013. - 16 p.

5. Babitsky L. F., Moskalewicz V. Y., Sobolevsky I. V. Fundamentals of bionic research: textbook // Simferopol: PE «Antiqua», 2014. - 328 p.

Сведения об авторах:

Бабицкий Леонид Фёдорович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механизации, энергетики и технического сервиса Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kaf-meh@rambler.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Соболевский Иван Витальевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации, энергетики и технического сервиса Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: sobolevskii-ivan@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и приро-

Information about the authors:

Babitsky Leonid Fedorovich -doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of mechanization, energy and technical services of the Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: kaf-meh@ rambler.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.

Sobolewski Ivan Vitalievich - candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of mechanization, energy and technical service of the Academy of Life and

допользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».

Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», the deputy director of the Academy of Life and Environmental Science for scientific work, e-mail: sobolevskii-ivan@mail.ru, 295492, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.

УДК 633.81.001.73:621.789

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ РОЗЫ ЭФИРОМАСЛИЧНОЙ

USE OF PHYSICAL METHODS

IN TECHNOLOGICAL PROCESSES OF PROCESSING OF RAW MATERIALS OF ROSE ESSENTIAL OIL

Гербер К. В., ассистент кафедры технологии и оборудования производства жиров и эфирных масел; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»

Применяемый в данной работе малогабаритный, маломощный прибор ультразвуковых колебаний и технологический процесс на его основе экологически безопасен, экономически эффективен, обеспечивает сокращение потребления энергетических и сырьевых ресурсов при выпуске одинаковых объемов продукции в сравнении с традиционными технологиями.

Ключевые слова: ультразвук, роза эфиромасличная, экстракция.

Gerber K. V., assistant of the Department of technology and production equipment of fats and essential oils; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»

Used in this paper small-size, low-power ultrasonic vibrations device and technological process on its basis environmentally friendly, economically efficient, provides a reduction in the consumption of energy and raw materials in the production of the same product volumes as compared with traditional technologies.

Key words: ultrasound, essential oil, extraction.

rose

Введение. Производство эфиромасличной продукции из собственного сырья с использованием новых, комплексных, безотходных технологий внедрение