CC BY
64
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Procedía Environmental Sciences. 2015. Volume 29. P. 22-23.
31. Oficial'nyj sajt OOO «GLOUBKOR» [Elek-tronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://biodiesel. globecore.ru/
32. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoj statistiki Rossijskoj Federacii [Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.gks.ru/
33. Chandel A.K., Singh O.V. Weedy lignocel-lulosic feedstock and microbial metabolic engineering: advancing the generation of 'Biofuel' // Applied Microbiology and Biotechnology. 2011. Volume 89, Issue 5. P. 1289-1303.
34. Mata-Alvarez J., Dosta J., Mace S., Astals S. Codigestion of solid wastes: a review of its uses and perspectives including modeling // Critical Reviews in Biotechnology. 2011. Volume 31, Issue 2. P. 99-111.
35. Oliveira FJ., Santana D.D., Costa S.S., Olivei-ra L.D., Liduino V.S., Servulo E.F. Generation, characterization and reuse of solid wastes from a biodiesel production plant // Waste Management. 2016.
36. Valdivia M., Galan J.L., Laffarga J., Ramos J.L. Biofuels 2020: Biorefineries based on lignocellu-losic materials // Microbial Biotechnology. 2016. Volume 9, Issue 5. P. 585-594.
37. Arne Martin Fevolden, Antje Klitkou. A fuel too far? Technology, innovation, and transition in failed biofuel development in Norway // Energy Research & Social Science. 2017. Volume 23. P. 125-135.
38. Titova E.S., Bondarchuk N.V. Analiz inno-vacionnyx podxodov k sozdaniyu i ispol'zovaniyu al'ternativnyx istochnikov energii na primere bio-topliva // Rossijskij ekonomicheskij internet-zhur-nal. 2017. № 1. 15 s.
39. Macrelli S., Galbe M., Wallberg O. Effects of production and market factors on ethanol profitability for an integrated first and second generation ethanol plant using the whole sugarcane as feedstock // Biotechnology for Biofuels. 2014. Volume 7, Issue 1. 16 pages.
40. Oficial'nyj sajt Al'ternativnaya energe-tika. Razdel «Biotoplivo iz rapsa» [Elektronnyj
resurs]. Rezhim dostupa: http://elettracompany. com/node/100
41. Shafiei M., Karimi K., Zilouei H., Taherza-deh MJ. Economic impact of NMMO pretreatment on ethanol and biogas production from pine-wood // BioMed Research International. 2014. Volume 2014. 13 pages.
42. Wang R., Unrean P., Franzen C.J. Modelbased optimization and scale-up of multi-feed simultaneous saccharification and co-fermentation of steam pre-treated lignocellulose enables high gravity ethanol production // Biotechnology for Biofuels. 2016. Volume 9:88. 13 pages.
43. Oficial'nyj sajt CLEANDEX Centra market-ingovoj kompetencii v oblasti chistyx texnologij marketingovoj gruppy «Tekart» [Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.cleandex. ru/articles/2008/07/07/biofuels-trends-2007
44. Ministerstvo energetiki SSHA. Informa-cionno-analiticheskij centr vozobnovlyaemyx istochnikov energii [Elektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.afdc.energy.gov/
УДК 631.312.06
Александр Фомин,
профессор Государственного университета по землеустройству, руководитель направления технического перевооружения АПК
Научно-экспертного совета Комитета Государственной Думы ФС РФ по аграрным вопросам
ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ТЯЖЕЛЫХ И СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ДИСКОВЫХ БОРОН РУ-1000/600 И РХ-850
В статье приводятся выкладки для расчета сферических гладких дисков, используемых в качестве рабочих органов тяжелых и сверхтяжелых дисковых борон RSM DV-1000/600 и DX-850, обосновывается выбор расстояния между рабочими органами в батареях.
S u m m a r y
The artícle presents calculations for the calculation of smooth spherical disc that is used as the working bodies hard and heavy disc harrows RSM DV-1000/600 and DX-850, substantiates the choice of the distance between the working bodies in the batteries.
Ключевые слова: расчет параметров рабочих органов дисковых борон, расчет расстояния между рабочими органами дисковых борон батарейного типа, расчет гладких сферических дисков дисковых борон.
Keywords: calculation of parameters of the working bodies of disk harrows, the calculation of the distance between the working bodies of disk harrows battery type, the calculation of smooth spherical disc harrows.
Введение
Большинство предлагаемых в России дисковых борон батарейного типа имеют недостатки, приводящие к уменьшению коэффициента технологической надежности ниже 0,99. Среди них можно отметить: налипание почвы на диски и наматывание пожнивных остатков на вал батареи, что приводит к забиванию междисковых промежутков; недостаточная величина заглубления рабочих органов и их выглубление; частый выход из строя дисков и сложность их замены. При этом импортные орудия, обладающие более высокой общей надежностью в сравнении с отечественны-
ми, часто не обеспечивают надлежащего качества почвообработки и технологической надежности, поскольку проектируются для эксплуатации в почвенно-климати-ческих условиях, отличных от российских. Отечественные компании, пытаясь воссоздать в условиях своего производства лучшие зарубежные модели, также зачастую не учитывают указанную разницу в условиях [1]. В 2016 г. один из дивизионов группы РОСТСЕЛЬМАШ, запустил в серийное производство тяжелую тандемную и сверхтяжелую офсетную дисковые бороны батарейного типа, спроектированные с учетом реальных условий эксплуатации агрегатов,
что позволило избежать перечисленных выше недостатков.
Обоснование применимости тяжелых и сверхтяжелых дисковых борон батарейного типа в сельскохозяйственных предприятиях России
В России сегодня пользуются большой популярностью дисковые бороны с индивидуальным креплением рабочих органов на раме, поскольку считается, что агрегаты с батарейным расположением дисков имеют ряд недостатков, препятствующих нормальному технологическому процессу.
МСХЖ — 60 лет!
- 61
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 1 / 2017
SCIENTIFIC SUPPORT AND MANAGEMENT OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
В то же время в Северной Америке и Европе предпочтение отдается именно дисковым боронам батарейного типа.
Эксперты считают, что это обусловлено облегченными, в сравнении с российскими, условиями эксплуатации — благоприятными (легкими) физико-механическими характеристиками почв, более совершенной технологией подготовки полей к по-чвообработке в фазе уборки предшественников и наличия достаточно мощного технического парка для своевременного и полного выполнения всех операций.
Однако в России культура земледелия за последние годы существенно повысилась. Так, сократились площади, обрабатываемые по классической отвальной технологии, увеличился объем площадей, на которых применяются почвосберегающие технологии; сильна тенденция к отказу от копенной уборки колосовых; активно используется уборочная техника с функциями измельчения и разбрасывания пожнивных остатков [1].
Изменения технологии привели к устранению некоторых факторов, которые приводили к сложностям при эксплуатации дисковых борон батарейного типа, таким образом приблизив агротехнические условия к оптимальным, за исключением почвенно-климатического «компонента». Причем необходимость работы на тяжелых глинистых, суглинистых почвах и черноземах, проведения почвообработки в неблагоприятных условиях в кратчайшие сроки привела к росту спроса на тяжелые и сверхтяжелые широкозахватные орудия.
Кроме того, использование конструкций с батарейным креплением рабочих органов значительно снижает стоимость агрегата по сравнению с боронами, где предусмотрено индивидуальное крепление дисков, и это по-прежнему остается одним из приоритетов для российских сельхозпроизводителей при выборе техники.
Таким образом, востребованность дисковых борон батарейного типа в России есть, вопрос заключается лишь в способности производителя предложить агрегаты, спроектированные с уделением должного внимания к разработке оптимальной геометрии самих рабочих органов и их расположения на батарее. Специалисты РОСТСЕЛЬМАШ при разработке новых борон основывались как на данных, полученных в ходе собственных исследований, так и на информации, полученной в ходе ранее проводившихся испытаний подобных агрегатов.
Выпускаемые предприятием бороны РБМ РУ-1000/600 и РХ-850 позволяют проводить качественную и своевременную обработку почв с твердостью до 3,5 МПа (35кг/см2) и предельной влажностью до 35% на глубину до 20 см при рабочих скоростях до 10,8 км/ч. При этом от-
сутствует эффект забивания междискового пространства.
Агрегаты универсальны, поскольку могут использоваться как в качестве лущиль-щика, так и в качестве дискатора, дают возможность обработки залежных земель, в том числе с частичным оборотом пласта (офсетная борона). Бороны обеспечивают 100% подрезание пласта и сорных растений, 100% заделку пожнивных остатков, нормативы по крошению почв на различных операциях и допустимой погрешности заглубления.
Ходовая часть и рамы борон имеют увеличенный запас прочности — 2,0-2,5. В конструкции агрегатов предусмотрены предохранительные и компенсационные механизмы для снятия пиковых нагрузок и предохранения рабочих органов от аварийного выхода из строя.
Геометрия рабочих органов борон
RSM DV-1000/600 и DX-850
От параметров рабочих органов дисковых борон зависит их способность к подрезанию пласта почвы и корней растений, качество крошения почвы, полнота заделки пожнивных остатков. Хотя на глубину их проникновения в почву по большей части отвечает вес на 1 диск, часть этой способности лежит все же на самом диске безотносительно его массы.
Параметры рабочих органов можно разделить на регулируемые — глубина обработки почвы, угол атаки, и нерегулируемые — диаметр диска, радиус сферы, ширина фаски, вид заточки (внешняя, внутренняя) и ее угол.
Существует мнение, что для каждого региона необходимо разрабатывать диск, наиболее полно отвечающий сложившимся почвенно-климатическим условиям [1]. Однако почвы на территории даже одного региона, более того, на территории одного сельхозпредприятия, могут разительно различаться по своим характеристикам. Так, черноземы разного типа зачастую соседствуют с глинистыми почвами, супесями и песчаными почвами и т.д. Нередки варианты существования значительных отличий даже в пределах одного поля.
В таких условиях физически невозможно выполнить рекомендации экспертов — приобретение нескольких единиц агрегатов неподъемно материально, а замена дисков при переходе с поля на поле слишком трудоемка и затратна по времени даже для агрегатов с индивидуальным креплением рабочих органов. Поэтому мы считаем, что в настоящее время наиболее актуальным остается разработка рабочих органов с универсальными параметрами, что позволило бы использовать агрегат без переоснащения на любых типах почв.
В тяжелых и сверхтяжелых боронах батарейного типа РБМ РУ-1000/600 и РХ-850 используются гладкие сферические диски со сплошной и вырезной фигурной кромками (лезвиями). Приведем основной расчет гладких дисков, выполненный по классической методике [2, 3, 4]. На рисунке 1 схематически представлены элементы геометрии гладкого сферического диска.
Кромка диска затачивается по поверхности конуса с вершиной в точке Б, находящейся на расстоянии Н от плоскости диска.
Рис. 1. Основные геометрические параметры диска
й — диаметр диска; йа — хорда погружения диска; в — угол атаки (угол между плоскостью диска и линией тяги); I — угол заточки диска; 6 — угол наклона образующей конуса к плоскости диска; ф — обратный (задний) угол; ф' — угол резания; Н — удаление точки схождения; а — глубина обработки диска.
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 1 / 2017
www.mshj.ru
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Ш
Между диаметром диска D и радиусом его сферы R существует соотношение [2, 4]:
D = R sin а или D = 2R sin а,
где а — половина угла при вершине сектора AOB.
Искать диаметр и радиус диска будем, исходя из знания желаемой максимальной величины заглубления рабочего органа в почву — a, для чего рассмотрим диск на уровне сечения, соответствующего этому параметру.
Исходя из схемы параметров диска, угол наклона образующей конуса к плоскости диска 6 равен:
6 = а + i
ф=ф + i
Тогда для указанного сечения Da угол атаки в будет равен:
в = Ф + 6
Значение угла 6 определяется из выражения:
g=D
Чтобы установить зависимость изменения углов 6 и ф при погружении работающего диска в почву на глубину а, определяем значение tg6':
g=D • D= & D
Следовательно, по мере снижения плоскости горизонтального сечения диска (выхода диска из почвы) угол 6 уменьшается, так как D < D.
a
Но поскольку угол атаки в = ф + 6 = const, при уменьшении угла 6 на величину в увеличивается обратный угол ф, иначе говоря:
6 - 6'=ф - ф' = в ,
где ф' — текущее значение обратного угла при заглублении диска.
Определяем tge, пользуясь формулой разложения тангенса [5]:
tg(6-6) =
tg6-S 1+ tg6• tg6'
но
tg6 = tg6• D.
Тогда
tg(6-6) =-
tg6- tg6
Da
D
1 + tg6tg6
D D
или
tg0 =
1- D г
1 + tg6• ^ D
По этой формуле устанавливается значение угла 0, если известен угол 6. Если же известен угол 6', то угол 0 может быть вычислен следующим образом:
tg9--
1- D)\tg6'
D
D
a + tg26'
Неизвестной величиной в этих выражениях будет Оо, но ее находят как среднее геометрическое между а и Оо, то есть
D = 2/o(D-fl)
О \й{ О)
Эти формулы дают возможность определить основные параметры диска: кроме его диаметра и радиуса сферы (степени вогнутости) — по заданной глубине работы а и углу 6. Значение угла ф берется в диаметральном сечении — оно определяется углом атаки в.
В работе диска важное значение имеет угол ф', то есть обратный угол на заданной глубине хода, рабочее значение которого будет наименьшим на уровне поверхности почвы. Для тяжелых дисковых борон отношение а/й (глубина обработки/диаметр диска) принимается равным от 1/4. Угол заострения / = 10-25° (в среднем 15°); угол ф выбирается в пределах 0-3°.
Напомним, что характер работы дискового орудия во многом зависит от величины угла атаки в — чем меньше угол атаки, тем яснее выражены элементы резания почвы и тем меньше элементы рыхления, и наоборот. При этом на качество крошения почвы большое влияние оказывает диаметр дисков — чем он больше, тем лучше крошение. В то же время чем он меньше, тем легче орудие заглубляется в почву.
Для новых борон используются диски достаточно больших диаметров, при этом агрегаты показывают отличную способность к заглублению рабочих органов. При диаметре диска 710 мм (борона РУ-1000/600) максимальная глубина обработки будет равной 177 мм, а при диаметре диска 660 мм (РХ-850) — 165 мм. Свою лепту вносит достаточно высокий вес на 1 диск — в пределах 103-113 кг для серии РУ и в пределах 135-154 кг для борон серии РХ.
Исследователи отмечают, что, с одной стороны, возможность регулирования величины угла атаки необходима для достижения эффективного результата. Но, как показывает практика, далеко не все механизаторы и инженерные работники сельхозпредприятий способны выбирать оптимальный вариант [1]. То есть потребителю необходимо предоставить выбор: подстраивать агрегат под изменяющиеся условия
или принять вариант заводских универсальных настроек.
У тяжелых и сверхтяжелых дисковых борон РБМ угол атаки регулируется (либо установлен фиксировано) в пределах от 17 до 23°. Например, углы атаки передних и задних дисковых батарей бороны РХ-850 (20° и 17°) оптимизированы с точки зрения обеспечения качественного рыхления и диапазона по глубине обработки почвы.
Отдельно хотелось бы добавить следующее. Рабочая кромка диска может быть заточена как с внутренней, так и с внешней его стороны. Внутренняя заточка предупреждает возникновение затылочного давления на фаску, при внешней заточке оно возникает даже на малых глубинах обработки почвы [2]. Снижение сопротивления возможно за счет верного подбора ширины рабочей фаски, однако при этом кромка подвергается высокому абразивному износу. Учитывая трудоемкость замены рабочих органов на боронах батарейного типа, этот фактор важный.
Единственным выходом специалисты считают применение для изготовления дисков материалов с высоким сопротивлением абразивному воздействию. Для производства дисков в боронах РБМ РУ-1000/600 и РХ-850 используется износостойкая углеродистая пружинная сталь. Режим термической обработки дисков позволяет сочетать поверхностную твердость и пружинные свойства. Такой диск способен без замены отработать на площади до 30000 га.
Расчет расстояния между дисками
на одной батарее
Одним из наиболее весомых недостатков дисковых борон батарейного типа является их предрасположенность к забиванию междискового промежутка, что связано обычно с близким расположением рабочих органов на валу батареи. Причем опасность возникновения данного эффекта увеличивается при стремлении параметров фонов к критическим: высокая влажность, липкость почвы, выполнение операций, требующих большого заглубления, наличие большого количества пожнивных остатков.
Для агрегатов данного типа считается необходимым выполнение следующего условия:
Ь > 1,5а ,
где Ь — расстояние между дисками на батарее; а — глубина обработки почвы.
Для расчета этого параметра используем некоторые геометрические построения, представленные на рисунке 2.
При рыхлении почвы диск образует бороздку, дно которой представляет собой дугу, соответствующую дуге окружности диска. Высота сегмента дуги соответствует глубине обработки диска. Между смежны-
МСХЖ — 60 лет!
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 1 / 2017
ш
SCIENTIFIC SUPPORT AND MANAGEMENT OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
ми проходами дисков образуются гребни высотой h, разрушение которых происходит, в зависимости от структурного состояния почвы, под углом 45-60°.
При определении расстояния между вершинами гребней следует учитывать рядность расположения дисковых батарей, для тяжелых и сверхтяжелых дисковых борон наиболее рациональна двухрядная схема установки рабочих органов.
Из схемы видно, что
b cos в = D sin в .
Из этого выражения следует: b = Dh tg в ,
тогда
Dh = 2Vh(D-h).
Ь = 2 ¡дрЩО-Ь).
Отсюда следует, что расстояние между дисками после прохода бороны есть функция угла атаки, диаметра дисков и высоты
Рис. 2. К расчету расстояния между рабочими органами на дисковых батареях
D — диаметр диска; Dh — хорда окружности диска на высоте гребней Л; в — угол атаки (угол между плоскостью диска и линией тяги); Ь — расстояние между дисками после прохода бороны; Л — высота гребней дна борозды; а — глубина обработки диска.
гребней. Специалисты отмечают, что обычно расстояние между дисками на батареях борон принимают порядка 220 мм, что недостаточно.
На бороне РБМ РХ-850 расстояние между дисками 270 мм, что удовлетворяет требованию Ь = > 1,5 а. По данному показателю параметр является оптимальным для бороны с дисками 660 мм, и позволяет агрегату работать без забивания почвой даже на максимальной глубине 165 мм (165 ■ 1,5 = 247,5 мм).
Последнее, что стоит отметить. В эффект забивания междисковых промежутков батарей вклад вносит фактор налипания почвы непосредственно на диски в их средней и центральной части. Для предотвращения этого на почвообрабатывающих агрегатах РОСТСЕЛЬМАШ устанавливаются чистки.
Таким образом, можно утверждать, что параметры рабочих органов новых тяжелых и сверхтяжелых борон РОСТСЕЛЬМАШ полностью удовлетворяют предъявляемым к современным почвообрабатывающим агрегатам требованиям, что подтверждается натурными наблюдениями.
Литература
1. Сохт К.А., Трубилин Е.И., Коновалов В.И. Дисковые бороны и лущильники. Проектирование технологических параметров: Учебное пособие. Краснодар: КубГАУ, 2014. 164 с.
2. Сабликов М.В. Сельскохозяйственные машины. Ч. 2. М.: Колос, 1968. 247 с.
3. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М: Машиностроение, 1983. 142 с.
4. Стрельбицкий В.Ф. Дисковые почвообрабатывающие машины. М.: Машиностроение, 1978. 218 с.
5. Ефимов Н.В. Краткий курс аналитической геометрии. М.: Наука, 1969. 272 с.
6. Исходные требования на базовые машинные технологические операции в растениеводстве. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 270 с.
и
б4
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № 1 / 2O17
www.mshj.ru
