Экспериментальное определение силы ударного воздействия поверхности различной жесткости на семена

Введение. Семена различных сельскохозяйственных культур в процессе производства перед посевом подвергаются механическому воздействию рабочих органов машин [1, 2, 3, 4, 5]. Большинство рабочих органов сельскохозяйственных машин изготовляют из прочных, жестких материалов, как правило, из стали. Вследствие этого между сыпучим телом, сформированным семенами в рабочем объеме машины, и поверхностью рабочих органов возникают ударные взаимодействия, травмирующие и разрушающие семена, тем самым снижая урожайность сельскохозяйственных культур.

В научных исследованиях используют различные определения удара. Наиболее содержательная формулировка дана в монографии Е.В. Александрова и В.Б. Соколинского [6]: «Механическим ударом называется явление, возникающее при столкновении тел, сопровождающееся полным или частичным переходом кинетической энергии тел в энергию их деформации». При ударе силы взаимодействия между телами настолько велики, что всеми другими постоянно действующими силами можно пренебречь.

На схеме, представленной на рисунке 1:

v.

ΔА ^^^

N ▼

VVC.T. ү

yVp п – сила, действующая со стороны рабочей поверхности на частицу сыпучего тела;

Мст – сила, действующая со стороны частицы сыпучего тела на рабочую поверхность;

дл – площадь контакта между частицей и поверхностью

Рисунок 1 – Силы ударного взаимодействия, возникающие на площадке контакта частицы сыпучего тела с рабочей поверхностью

Так как эти силы одинаковы по величине, то можно записать:

Np.n. ^— N_cm. — N, (1) где N – ударная сила – сила ударного взаимодействия, направленная перпендикулярно к касательной, проведенной к контуру тел в точке контакта.

Вследствие того, что силы ударного взаимодействия гораздо больше всех остальных сил, действующих на тело, систему взаимодействующих при ударе тел можно условно считать замкнутой и применять к ней закон сохранения импульса [6, 7].

В Азово-Черноморском инженерном институте проводятся исследования травмирования семян рабочими органами сельскохозяйственных машин [8] и разрабатывается новая сельскохозяйственная техника для предпосевной обработки семян с эластичными рабочими органами, внедрение которой позволит снизить вероятность травмирования семян [9, 10, 11, 12].

Методика исследования. Цель работы заключалась в экспериментальной проверке научной гипотезы о том, что замена жестких рабочих поверхностей высокоэластичными рабочими поверхностями, обладающими способностью значительно деформироваться в пределах упругих деформаций, приведет к снижению ударной силы, что позволит уменьшить или полностью исключить травмирование и разрушение семян.

Пусть частица сыпучего тела – семя – падает с некоторой высоты на поверхность рабочего органа сельскохозяйственной машины (в дальнейшем будем называть ее «Рабочая поверхность»). Для оценки влияния жесткости рабочей поверхности на семена при соударении, используя закон сохранения количества движения применительно к частице, получим:

^ = N,            (2)

, где m – масса частицы сыпучего тела (масса семени);

v – скорость частицы;

N – ударная сила.

В интегральной форме получим:

т • и — т • v = N • Lt,          (2^’)

где и – скорость частицы сыпучего тела после удара;

v – скорость частицы сыпучего тела до удара;

N – ударная сила;

Lt – время удара.

Сравним процесс соударения частицы сыпучего тела (семени) при взаимодействии со стальной пластиной, стальной пластиной с полимерным покрытием и гибкой пластиной, изготовленной из эластомера.

Эластомеры – это полимерные материалы, обладающие высокоэластичными свойствами, т.е. способные многократно удлиняться при растяжении. Удлинения эластомера в десятки раз превышают удлинения стали в пределах упругих деформаций, а при снятии нагрузки эластомер, как и любой другой упругий материал, возвращается к первоначальным размерам.

1 – бункер; 2 – стойка; 3 – измерительная шкала; 4 – пластины

Рисунок 2 – Экспериментальная установка для исследования воздействия поверхности различной жесткости на семена

Была выдвинута гипотеза, что уменьшение коэффициента восстановления приводит к снижению силы удара на семена. Очевидно, что чем меньше высота отскока частицы после соударения, тем меньше скорость и ускорение частицы и сила удара. Следовательно, чем меньше коэффициент восстановления, тем меньше сила удара на семена, т.к., согласно основному закону механики, ускорение, развиваемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело.

Для проверки научной гипотезы нами были проведены экспериментальные исследования воздействия поверхности различной жесткости на семена.

Исследования проводились на авторской экспериментальной установке, представленной на рисунке 2.

Винтовое соединение горизонтальной опоры, на которой крепится бункер с вертикальной стойкой, позволяет изменять высоту расположения бункера. Поверхность рабочих органов имитируют пластины 4 из различных материалов, закрепляемые на раме лабораторной установки. Семена засыпались в бункер.

После открытия заслонки семена высыпались на рабочую поверхность под действием силы тяжести. Масса сыпучего тела варьировалась. Использовались навески в 10, 30 и 50 граммов. Для измерения использовались весы Невские. Опыты проводились в пятикратной повторности. Для определения наблюдения и последующей обработки результатов экспериментов проводилась видеосъемка с помощью видеокамеры GoPro 4 Silver и камеры I-Pad с последующим кадрированием видеофайла. Высота падения варьировалась от 50 до 800 мм.

Испытаниям подвергались семена гороха в качестве сыпучего тела и три пластины – металлическая пластина из стали марки 3 без покрытия, металлическая пластина из стали марки 3 с полиуретановым покрытием и высокоэластичная полимерная пластина из эластомера марки Адипрен твердостью по Шору 45.

На рисунке 3 в качестве примера показано, как производилось определение коэффициента восстановления при соударении сыпучего тела с жесткой металлической поверхностью с полимерным покрытием.

Рисунок 3 – Соударение семян со стальной поверхностью с полимерным покрытием

Опыты проводились в 15-кратной повторности с интервалом в 50 мм (от 50 до 800 мм). По 15 семян гороха сбрасывались с высоты от 50 до 800 мм на стальную, затем на стальную поверхность с полимерным покрытием, и на пластину, изготовленную из эластомера с жесткостью по Шору 45.

Известно, что коэффициент восстановления определяется по формуле [1].

^к=л (3)

В результате проведения опытов были определены средние значения коэффициентов восстановления при падении частицы сыпучего тела на поверхности различной жесткости.

Результаты исследований и их обсуждение. После обработки результатов опытов в программном комплексе Excel получены следующие средние значения коэффициентов восстановления:

к_г = 0,77 – соударение с жесткой стальной поверхностью;

к₂ = 0,56 – соударение со стальной поверхностью с полиуретановым покрытием;

к₃ = 0,07 – соударение с высокоэластичной поверхностью.

Так как высота падения семян на три вида поверхностей принималась одинаковой, то и скорость падения с одинаковой высоты на три вида поверхностей была одинаковой, т.е. m • v = const . Пользуясь формулой т-и — т • v = N • Lt, получим т • щ > т • и₂ > т - и₃ . Следовательно, 1Z-^ > 1^2 > IZg .

Высота отскока – это расстояние, проходимое частицей после соударения, зависящее от скорости движения частицы после соударения. Чем быстрее и выше отскакивает частица от рабочей поверхности после соударения, тем больше ее ускорение, следовательно, больше сила удара:

Ғ_т > Ғ₂ > Ғ₃ , где ғ_т – сила удара при взаимодействии частицы сыпучего тела с жесткой поверхностью без покрытия;

ғ2 – сила удара при взаимодействии частицы сыпучего тела с жесткой поверхностью, покрытой полимером;

ғ3 – сила удара при взаимодействии частицы сыпучего тела с высокоэластичной поверхностью.

Принимая массу семени m=0,25 г (горох), определив время отскока при каждом значении высоты падения, пользуясь программой конвертации кадров съемки экспериментов «Free Video to JPG Converter», определили среднюю скорость и среднее ускорение семени после удара о поверхность и вычислили среднее значение силы ударного взаимодействия семени гороха с рабочей поверхностью при падении с высоты 800 мм и 50 мм, соответственно.

Значения скорости отскока семян и силы удара о поверхности различной жесткости

Рабочая поверхность	Средняя скорость отскока частицы ^^ мм при падении с высоты 800 мм/50 мм	Средняя сила удара с высоты падения 800 мм/50 мм Ғ • 10“5,Н
Сталь	3,000/0,420	470,00/153,00
Сталь с покрытием	1,550/0,200	242,00/72,00
Эластомер	0,025/0,030	3,90/1,12

По результатам экспериментальных исследований установлено, что наименьшая сила ударного взаимодействия возникает при соударении частиц сыпучего тела с рабочей поверхностью из высокоэластичного материала (таблица).

Выводы. Экспериментальные исследования подтвердили научную гипотезу о том, что замена жестких рабочих поверхностей высокоэластичными рабочими поверхностями, обладающими способностью значительно деформироваться в пределах выполнимости закона Гука, приводит к уменьшению коэффициента восстановления и силы ударного взаимодействия.

Установлено, что использование высокоэластичных рабочих органов в 100 раз и более снижает силу удара, что позволит уменьшить риски травмирования и повреждения семян рабочими органами сельскохозяйственных машин.