Сравнительный анализ воздействия поверхности различной жесткости рабочих органов сельскохозяйственной техники на твердую частицу сыпучего тела

Введение. В сельскохозяйственном производстве процесс перемешивания продуктов является одним из основных технологических процессов. Прочность и жесткость сельскохозяйственных продуктов и материалов (зерна, кормов и др.) намного меньше прочности и жесткости воздействующих на них рабочих органов сельскохозяйственных машин. А время взаимодействия рабочих органов и отдельных частиц сельскохозяйственных материалов го- раздо меньше длительности всего технологического процесса смешивания. Следовательно, столкновение перерабатываемых продуктов (сыпучего тела) с поверхностью рабочих органов является ударным столкновением. В ряде случаев, например, при посеве, при предпосевной обработке семян, ударное взаимодействие семян с поверхностью рабочих органов негативно сказывается на целостности внешней оболочки семени, вызывая ее повреждение и травмирование. Повреждение и травмирование семян приводит к потере урожая сельскохозяйственных культур.

Анализ последних публикаций . Проблема снижения ударного воздействия рабочих органов сельскохозяйственных машин особенно остро стоит при обработке семян перед посевом. При предпосевной обработке предъявляются жесткие требования к микроповреждениям и травмированию семян. Особенно это касается элитных семян сельскохозяйственных культур, а также семян гороха, картофеля и других культур с чувствительной к микроповреждениям верхней оболочкой семени. Семена бобовых культур в большей мере, чем семена зерновых культур, травмируются при севе. Исследование травмирования семян зернобобовых культур при севе проводили Д.Б. Дунаевский и В.И. Онищенко [1]. Учеными установлено, что доля травмирования семян разными высевающими аппаратами составляет от 8% до 15% [1]. В Азово-Черноморском инженерном институте проводятся исследования по созданию и возможности использования устройств с эластичными рабочими органами в технологии предпосевной обработки элитных семян и семян хрупких сельскохозяйственных культур (гороха, сои, картофеля и др.) [2,3].

Методика исследования . Рассмотрим, степень воздействия поверхности различной жесткости на частицу зерна. Определим степень ударной нагрузки на примере удара семени о неэластичную (жесткую) поверхность и эластичную поверхность рабочего органа сельскохозяйственной машины.

Условимся считать зерно (семя) твердой частицей, входящей в состав сыпучего тела -совокупности частиц перемешиваемых продуктов в объеме смесительного устройства. Соударение твердой частицы с жесткой поверхностью рабочего органа можно рассматривать как упругий удар шара о поверхность. При этом время соударения тел гораздо меньше времени движения тела. Оценим силу удара.

Движение материальных тел под действием тех или иных сил происходит в соответствии с законами Ньютона. Ударные силы характеризуются кратковременностью действия и значительной величиной. Координаты рассмат- риваемой механической системы за время удара не изменяются, а скорости получают конечные приращения. Мерой ударной силы Ғудара служит её интегральная характеристика - ударный импульс I. Воспользуемся вторым законом Ньютона в импульсной форме, который гласит, что изменение импульса тела равно импульсу действующей на него силы:

t ₀

I J Ғ удара ( t ) dt .

t ₀

Чтобы понять, насколько велико ударное взаимодействие при столкновении сыпучего тела с жесткой неэластичной поверхностью, определим величину этой силы.

Допустим, размеры частицы сыпучего тела r 5 мм 5 10 ³ м . Такой размер имеет зерно пшеницы, гороха и многих других сельскохозяйственных культур. Рабочие органы сельскохозяйственных машин изготовляют, как правило, из стали. Скорость распространения звуковой ударной волны в стали составляет около 5000 м/с. [4]. Определим длительность распространения волны сжатия при ударе частицы зерна о стальную поверхность:

A t = —,     М = 5^¹⁰- = 1О’ 6 м / с.

v ,           5000

Оценим силу удара зерна о сталь. Предельная скорость падения зерна в неподвижном воздухе примерно равна v _з =10 м / с [5]:

F-T • t где Ы- изменение импульса ударной силы, равное количеству движения частицы:

М = m-v ;

m - масса частицы (зерна),

m = 40-10"6 кг;

v - скорость падения частицы (зерна),

v 3 =10 м / с.

Получим

I 40 10 ⁶ 10  40 10 ^{5 кг м} 40 10 ⁵ Нс ,

с

40 10 5

откуда сила удара частицы о сталь F

400 Н .

Средняя разрушающая нагрузка семян гороха составляет F ср = 303 Н [6].

А теперь определим силу удара при падении частицы на упругодеформируемую эластичную поверхность. Определим время распространения волны сжатия при ударе частицы об упругодеформируемую эластичную поверхность. В качестве примера принимаем поверхность рабочего органа, изготовленного из резины. Принимаем скорость распространения зву- м ковой волны в резине v 70   [4]. Получим:

с r5103

A t      ^,A t             10 ⁴ м / с .

t70

зв .

Силу удара частицы о резину определим по вышеописанной формуле:

FР  40 1054

Р10

Сравним полученные значения:

F    10

FСТ   10

FР   10

При сравнении значений видно, что сила удара частицы об упругодеформируемую эластичную поверхность в сотни раз меньше ударной силы о жесткую стальную поверхность.

Используя приведенные выше расчеты, можно определить значения силы удара и для других материалов, используемых для изготовления рабочих органов сельскохозяйственных машин. В таблице 1 приведены расчетные значения силы удара частицы (семени) о различные материалы.

Таблица 1 – Расчетные значения силы удара частицы (семени) о различные материалы

Материал	Скорость распространения звуковой ударной волны, м/c [4, 7]	Сила удара частицы (семени), Н
Сталь	5000	400
Дерево	4050	324
Полистирол	2350	188
Полиэтилен	2000	160
Резина	70	4

Вывод. Результаты проведенных теоретических исследований позволяют сделать вывод о том, что сила ударного воздействия жестких рабочих органов сельскохозяйственной техники на семена хрупких сельскохозяйственных культур, к которым относят элитные семена, семена бобовых и картофеля, больше предельной разрушающей нагрузки, которую может выдержать семя. Поэтому в качестве материала рабочих органов устройств для предпосевной обработки семян необходимо использовать упругоэластичные материалы, не вызывающие разрушения и позволяющие снизить риски травмирования семян.