Обоснование применения ударопоглощающих рабочих органов для снижения травмирования и интенсификации предпосевной обработки семян

Введение. Многолетние исследования ученых, занимающихся вопросами совершенствования сельскохозяйственной техники по производству семян, показывают, что повреждение семян рабочими органами машин значительно снижает качество семенного материала, что приводит, в конечном итоге, к большим потерям урожая [1, 2, 3, 4, 5, 6]. В процессе работы по определению степени повреждения семенного материала рабочими органами машин для обработки семян перед посевом было установлено, что с целью снижения травмирования семян необходимо использовать материалы с высокоэластичными свойствами [7, 8]. К таким материалам относят полиуретановые эластомеры [8, 9, 10, 11]. Рассмотрим условия, исключающие разрушение и уменьшающие повреждение семян рабочими органами сельскохозяйственных машин при ударном взаимодействии и позволяющие интенсифицировать процесс предпосевной обработки препаратами-протравителями.

В научной литературе существует много определений механического удара. Наиболее точно ударное взаимодействие между семенами и рабочими органами сельскохозяйственной техники можно описать, используя определение, предложенное Е.В. Александровым и В.Б. Соколинским в монографии «Прикладная теория и расчеты ударных систем» [12]: «Механическим ударом называют явление, возникающее при столкновении тел, сопровождающееся полным или частичным переходом кинетической энергии тел в энергию их деформации».

Методика исследования. Если при ударном взаимодействии деформация рабочей поверхности будет незначительна, то кинетическая энергия падающих семян, достигнув максимального значения при столкновении с поверхностью, практически полностью перейдет в энергию деформации семян, являясь причиной их травмирования и разрушения. Чем больше скорость и высота падения – тем значительнее разрушающие последствия для семян при ударе о жесткую рабочую поверхность [7]. Следовательно, для того чтобы минимизировать травмирование семян и исключить их разрушение, рабочая поверхность должна обладать эластичными свойствами. Эластичность – это способность материала растягиваться под действием внешней нагрузки на значительную величину в пределах упругих деформаций [13]. Растяжение рабочей поверхности приведет к поглощению кинетической энергии удара, предотвращая тем самым повреждение и разрушение семян. Поглощенным ударом будем называть такое явление после соударения семян с рабочей поверхностью, при котором происходит переход кинетической энергии движущегося семенного материала в потенциальную энергию деформации рабочей поверхности. При поглощенном ударе исключается полное разрушение и минимизируется травмирование семян.

На рисунке 1 приведена схема состояния рабочей поверхности из различных материалов при ударном взаимодействии с семенами.

При ударе семян о жесткую стальную поверхность происходит резкий скачок ударной силы за очень короткое время ударного взаимодействия (кривая 1 на рисунке 1).

При ударе о стальную поверхность, покрытую полимером, несмотря на то, что ударная сила уменьшается за счет некоторого увеличения длительности ударного взаимодействия (рисунок 1, кривая 2), но вследствие того, что рабочая поверхность остается малодефор-мируемой, сила удара все еще достаточно велика [8].

При ударе о полиуретановую поверхность происходит растяжение волокон эластомера и опускание поверхности под гравитационной силой веса семян (кривая 3 на рисунке 1). Достигнув определенного значения, зависящего от веса семян и упругих свойств эластомера, растяжение волокон прекратится, и поверхность начнет сокращаться и отталкивать частицы.

Состояние «поглощенного удара» отличается от первого состояния взаимодействия семян с жесткой поверхностью тем, что длительность взаимодействия семян и поверхности намного превышает длительность контакта при ударе о жесткую поверхность. Отличие второго состояния от «поглощенного удара» в том, что при ударе о жесткую стальную поверхность с полимерным покрытием происходит сжатие покрытия, смягчающее, демпфирующее удар. Но величина этого сжатия не превышает толщины слоя полимерного покрытия и поэтому накопления потенциальной энергии деформации рабочей поверхности недостаточно для того, чтобы переданной энергии хватило для интенсификации процесса смешивания семян с препаратами-протравителями.

Рисунок 1 – Графическое представление напряженного состояния частицы сыпучего тела и деформированного состояния поверхности различной жесткости при ударном взаимодействии

Если полиуретановую рабочую поверхность привести в колебательное движение внешним воздействием различных колебательных механизмов (кулачковых, гидравлических, кривошипно-шатунных и т.д.), то семена, падая и отскакивая от поверхности, будут находиться во взвешенном свободном псевдоожиженном состоянии, что позволит каплям или частицам препарата-протравителя быстрее перемешаться и покрыть семена. Таким образом, использование ударопоглощающих рабочих органов позволит не только снизить травмирование и исключить разрушение семян, но и интенсифицировать процесс предпосевной обработки.

Определим потенциальную энергию деформации, накапливаемой рабочей поверхностью при ударе семенного материала.

Кинетическая энергия семени, падающего на рабочую поверхность с некоторой скоростью vс, преобразуется при ударе в потенциальную энергию деформации семени и рабочей поверхности и кинетическую энергию семени после удара:

и = Tn - Т уд , (1)

где U – потенциальная энергия деформации, Дж;

Т п – кинетическая энергия семени до удара, Дж;

Т уд – кинетическая энергия семени после удара, Дж.

Потенциальная энергия деформации семени будет равна:

и с =           .             (2)

Потенциальная энергия деформации рабочей поверхности

P Δ l

U = уд р . п . р . п ..                           ,

где U с , U р.п. – потенциальная энергия деформации семени и рабочей поверхности, соответственно, Дж;

Р уд – сила удара при столкновении семени и поверхности, Н;

Δ L с , Δ L р.п. – абсолютная деформация семени и рабочей поверхности, соответственно, мм.

Согласно положениям механики деформируемого тела абсолютные значения деформации семени Δ L с и деформации рабочей поверхности Δ L р.п. зависят от своих размеров и коэффициентов жесткости:

д/ = 5^ д;

Ес'ғс          ң

Р -м

•уд^рп-

^р.п.'^р.п.

где с – толщина семени, мм;

Е с , – модуль упругости семян, МПа;

Е р.п. – модуль упругости, МПа;

F ч – площадь поверхности семени, мм ² ;

F с – площадь рабочей поверхности, мм ² ;

Δ р.п. – толщина рабочей поверхности, мм.

Подставив уравнения (4) в формулы (2) и (3), получим:

.    (5)

Кинетическая энергия семени в момент удара

где m с – масса семени, г;

v у – скорость семени в момент столкновения с поверхностью, м/с.

Исследования ученых [11, 14] показывают, что часть кинетической энергии при ударе тратится на деформацию семян и рабочей поверхности .

Учитывая, что скорость после соударения (отскока) связана со скоростью удара v у соотношением

ν_от = ν_yk_в ,

где k в – коэффициент восстановления, оставшаяся часть кинетической энергии семени после отскока от рабочей поверхности определится по формуле

Результаты исследований и их обсуждение. После подстановки выражения (8) в уравнение энергетического баланса (1) и соответствующих преобразований, получим зависимость для потенциальной энергии деформации семени и рабочей поверхности при их ударном взаимодействии:

U =^

Учитывая, что U р.п. = U – U ч , объединяя формулы (5) и (9), приравняем их правые части и получим зависимость для потенциальной энергии, накопленной рабочей поверхностью при ударе:

Пользуясь теоремой об изменении чества движения, имеем:

™с ■ Vy = Руд ■ At, коли-

где Δt – время ударного взаимодействия семени и рабочей поверхности.

В этом случае сила удара та “ At

Подставив формулу (12) в формулу (10), получим выражение, определяющее потенциальную энергию деформации, накопленную рабочей поверхностью при ударном взаимодействии:

Upju=mcVy2

7ПС\ДС

(At)a^Fc

Анализируя полученную формулу, можно отметить, что потенциальная энергия, накопленная рабочей поверхностью при падении на нее семян одного и того же сорта с одинаковыми физико-механическими свойствами, увеличивается при уменьшении коэффициента восстановления. Коэффициент восстановления зависит от эластичности поверхности. Чем большей эластичностью будет обладать материал рабочей поверхности, тем меньше будет высота отскакивания семян после соударения, тем меньше коэффициент восстановления.

Гипотеза «поглощенного удара» нашла подтверждение при проведении экспериментальных исследований. На рисунке 2 приведены экспериментальные зависимости, показывающие, как изменяется высота отражения семян гороха от высоты падения на поверхности различной жесткости.

Рисунок 2 - Взаимодействие семян гороха с рабочими поверхностями машин

По результатам экспериментов были определены коэффициенты восстановления. Несложные вычисления по формуле 13 показывают, что количество потенциальной энергии при падении на высокоэластичную поверхность увеличится в 2,5 раза по сравнению с ударом семян о стальную поверхность. Экспериментально подтверждается гипотеза о том, что при падении семян на высокоэластичную поверхность происходит «поглощение удара» и накопление потенциальной энергии деформации этой поверхности. Замена стальных элементов, взаимодействующих с семенами, высокоэласти-ными элементами позволит более чем в 4,3 раза снизить коэффициент восстановления, что не только уменьшит вероятность повреждения семян, но и увеличит количество энергии, переданной семенам при сокращении волокон эластомера для интенсификации процесса обработки защитно-стимулирующими препаратами без разрушения семян.

Выводы. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

• 1.    В целях снижения степени повреждения семян при соударении с поверхностью рабочих органов машин для предпосевной обработки и другой сельскохозяйственной техники необходимо создать условие «ударопоглоще-ния», при котором большая часть кинетической энергии удара переходит в потенциальную энергию деформации рабочей поверхности.

• 2.    Основным фактором, определяющим величину потенциальной энергии деформации, является коэффициент восстановления, зависящий от скорости и высоты падения семян, а также от физико-механических свойств поверхности. Потенциальная энергия деформации поверхности возрастает при уменьшении коэффициента восстановления.

• 3.    Использование полиуретановых эластомеров в качестве материалов для изготовления рабочих органов машин для предпосевной обработки семян позволит «поглотить» ударное воздействие рабочих органов на семена и значительно снизить их повреждения. При падении на высокоэластичную поверхность ко-

• личество потенциальной энергии увеличится в 2,5 раза по сравнению с ударом семян о стальную поверхность, что позволит не только снизить ударное воздействие, но и интенсифицировать процесс обработки семян препаратами-протравителями.

Acknowledgements: This study was conducted with the financial support of the RFBR grant, projects No 19-0100250.