Общественные науки, история, философия

 
277 
In this article mechanical processes and the physical phenomena occurring in the soil condition under the influence of working bodies 
of soil-cultivating machines are considered. The problem of processing of the soil consists in providing a supply of energy to the soil environment 
in such look, quantity and sequence which will allow to come into a fortune demanded it, to spend as little as possible energy. 
 
Вся  история  обработки  почвы  показывает,  что  человек  всегда  стремился  подвести  определенную 
энергию  к  обрабатываемому  слою  почвы  с  тем,  чтобы  ее  раз  рыхлить,  т.е.  изменить  ее  состояние.  Это 
объясняется тем, что получаемое в результате обработки состояние почвы становится неравновесным, хотя 
после  прекращения  воздействия  на  почву  протекающие  в  обрабатываемом  слое  физические,  химические, 
биологические  и  другие  процессы  восстанавливают  исходное  равновесие.  Поэтому  необходимость 
поддержания  неравновесного  состояния  почвы  объясняется  потребностью  создания  условий  для  развития 
несуществующих в естественном состоянии таких форм растений, которые считаем культурными. 
Таким  образом,  задача  почвообработки  состоит  в  обеспечении  подвода  энергии  к  почве  в  таком 
виде, количестве и последовательности, которые позволят получить требуемое ее состояние, затратить как 
можно меньше энергии. Причем желательно, чтобы форма подводимой энергии была как можно «дешевой», 
с точки зрения ее доступности. 
Попытаемся  оценить  существующий  способ  подвода  энергии  с  точки  зрения  его  эффективности. 
Для этого необходимо рассмотреть, как происходит процесс получения, передачи и использования энергии в 
почвообрабатывающих  агрегатах.  Этот  вопрос,  в  сущности,  является  одним  из  основных  в  механизации 
сельского хозяйства вообще и обработки почвы в частности, так как все исследователи в той или иной мере 
его касаются. 
Для  изучения  функционирования  любого  почвообрабатывающего  агрегата  его  технологическую 
схему (рис. 1) можно рассмотреть как систему, состоящую из двух подсистем: трактора (Т) и почвообраба-
тывающей  машины  (П.М.).  Входными  показателями  П.М.  являются  глубина  хода  а,  ширина  захвата  в  и 
параметры  рабочего  органа 
i
Х
.  Они  определяют  способ  обработки  почвы  (C.O.).  На  качественные 
показатели  П.М.  существенное  влияние  оказывает  состояние  почвы  (С.П.),  определяемое  физико-
механическими  свойствами 
)
(t

.  Почвообрабатывающий  агрегат  находится  под  воздействием 
постоянно  меняющихся  возмущений  Z(t).  Они  передаются  на  агрегат  через  опорные  колеса  и  рабочие 
органы. При сопоставлении состояния почвы после обработки с показателями агротехнических требований 
(АТТ)  определяются  качественные  показатели  работы 
i
K
:  крошение  почвы,  заделка  растительных 
остатков, сохранение стерни и др. 
 
Рис. 1.Технологическая схема функционирования МТА 
 
Эксплуатационными  показателями  МТА  являются:  производительность  агрегата  W,  эффективная 
мощность  двигателя  N,  расход  топлива  G,  КПД  трактора 
T

,  и  др.  Эффективность  функционирования 
МТА оценивается следующими показателями: экономической эффективности Э (тг./га), урожайность сель-
скохозяйственных культур У (ц/га), КПД агрегата 
a

и др. 
Обобщенным  показателен  эффективности  технологического  процесса  является  выход  продукции. 
Но  так  как  обработка  почвы  -  лишь  составная  часть  технологии  возделывания  культур,  а  условия 
выполнения  других  операций  могут  оказаться  несопоставимыми,  то  для  оценки  эффективности 
почвообработки  многие  исследователи  пользуются  таким  качественным  показателем  работы  орудия,  как 
степень  крошения  почвы  [1,2,3].  Однако  применение  этого  показателя  без  учета  энергии,  затраченной  на 
крошение почвы, не позволяет оценить степень совершенства технологической процесса обработки почвы. 
Широко  применяемым  показателем,  характеризующим  процесс  обработки  почвы  с  точки  зрения  его 
энергетического  совершенства,  служит  удельная  энергоемкость процесса,  т.е.  затраты  энергии на  единицу 

 
278 
работы (Дж/га). Но, затраты энергии на единицу обработанной орудием площади не дают достаточно верной 
оценки преимуществ того или иного орудия [4]. Степень совершенства технологических процессов должна 
определяться  отношением  затраченной  на  совершение  процесса  энергии  и  полученным  положительным 
эффектом.  
Рассмотрим структуру  энергетических потоков в системе  «источник энергии (трактор) => машина 
(орудие)  =>  рабочий  орган  =>  обрабатываемый  пласт».  В  качестве  примера  выберем  трактор  и 
почвообрабатывающее  орудие  с  традиционными  пассивными  рабочими  органами.  Анализ  структуры 
энергопотоков  показывает,  что  энергия  в  виде  скрытой  химической  энергии  топлива,  преобразуется  в 
энергию расширяющихся газов, и далее в механическую, передаваемую к рабочему органу через канал тяги. 
В каждой стадии передачи существуют потери энергии, и весьма существенные. Так, в двигателе теряется 
до  60  %  энергии,  тяговый  канал,  состоящий  из  трансмиссии  и  ходовой  части  трактора,  имеет  КПД  в 
пределах от 0,5 … 0,7. Учтем также, что КПД орудия, определяемый, как количество энергии, затраченной 
непосредственно на разрушение, составляет 0,4…0,6.  
Это  обстоятельство  вынуждает  многих  исследователей  искать  пути  повышения  эффективности 
передачи  энергии  рабочим  органом.  Примером  тому  является  разработка  комбинированных  орудий, 
включающих в себя каналы передачи энергии через тягу и каналы передачи энергии прямым путем: через 
ВОМ, гидросистему и т.д. (рис. 2). В этом случае имеем: 
.
//
/
ПР
E
ТГ
Е
О
N
N
q




 
где
//
/
,
E
Е
N
N
-  соответственно  эффективная  мощность  двигателя,  отдаваемая  тяговому  каналу  и 
каналу прямой передачи; 
ПР
ТГ


,
- КПД каналов тяговой и прямой передач энергии. 
 
Если учесть, что КПД прямого канала передачи выше, чем КПД тягового канала, то окажется, что 
активные  рабочие  органы  по  сравнению  с  пассивными  находятся  в  более  выгодных  условиях.  При  этом 
оценку  степени совершенства рабочих органов необходимо производить на основе действительных затрат 
энергии на единицу площади вновь образованных поверхностей по результатам крошения почвы. 
Энергия,  подводимая  к  рабочему  органу  в  ее  классическом  виде  (кинетическая  и  потенциальная), 
расходуется  им  на  трансформацию  свойств  почвы  путем  ее  разрушения,  сообщения  определенным  ее 
элементам некоторого количества энергии(механической или тепловой), а также на изменение структуры не 
всего  пласта,  а  некоторых  его  элементов.  Основное  здесь  -  это  понимание  нарушения  целостности 
почвенного массива, как результат разрушения почвы, так как именно оно является основой для изменения 
физико-механических  свойств  почвы.  Как  известно,  для  разрушения  какого-либо  материала  необходимо 
достижение некоторого предельного состояния этого материала. Это предельное состояние характеризуется 
такими  показателями,  как  напряжение  и  деформация  (при  определенных  условиях)  в  различных  точках 
среды, как в отдельности, так и в совокупности. 
В рамках существующего механического воздействия предельные состояния почвы достигаются за 
счет  передачи  усилий  от  рабочего  органа  к  обрабатываемому  пласту.  Поэтому  процесс  преобразование 
энергии работам органом есть расход этой энергии па деформацию почвы. Обычно в таких случаях общее 
количество энергии, расходуемое на деформацию почвы, характеризуется удельным показателем, например, 
удельным  сопротивлением  почвы.  Этот  показатель  зависит  от  состояния  и  свойств  почвы,  способа 
обработки (технологических и геометрических параметров рабочего органа, режимов работы) и физической 
природы механизма разрушения почвы. 
Именно правильное понимание всей совокупности механических процессов и физических явлений, 
протекающих  в  почвенной  среде  под  воздействием  рабочих  органов  орудия,  является  важной  научной 
основой,  определяющей  отношение  к  процессу  разрушения  почвы,  как  следствие,  к  проблеме  управления 
качеством обработки почвы. 
 
Список литературы: 
 
1. Гячев Л.В. Теория лемешно-отвальной поверхности. Зерноград, изд-во АЧИМСХ, 1961. – 318с. 
2.  Жегалов  В.С.  Основания  для  проектирования  плужного  черенкового  ножа.  Сб..:  «Теория, 
конструкция и производство сельскохозяйственных машин». Т.4, М.: Наука, 1963.  
3. Кирюхин В.Г. Перемещение почвы плужным корпусом. // Материалы НТС ВИСХОМ, вып.5, М.: 
1959. 
4.  Нагорный  Н.Н.,  Белоткач  М.П.  Энергетическая  оценка  почвообрабатывающих  орудий.  // 
Тракторы и сельскохозяйственные машины. № 7, 1980.  
 
 
 
 

 
279 
ЗАДАЧА ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 
КУЛЬТИВАТОРОВ 
 
Горбунов Б.Н., к.т.н., доцент,  Есхожин К.Д., к.т.н., доцент 
Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина  
 
 
 
Мақалада  топырақтын  культиватор  табанынан  бӛліну  үдерсіне,  жұмыс  органдары  тербеліс  параметрлерінің  ықпалын 
теориялық негіздеу қарастырылған. Топырақ түйіршіктерініқ қозғалысына жұмыс органдарын котеруші жүйенің амплитудалық-жиілік 
сипаттамасының ықпалы кӛрсетілген. 
В  статье представлено  теоретические  обоснование  влияние  колебательных параметров  рабочих  органов  на  процесс  отрыва 
почвы  от  рабочей  поверхности  культиваторной  лапы.  Показаны  возможности  влияние  на  процесс  перемещения  почвенных  частиц 
путем изменения амплитудно-частотных характеристик несущих систем рабочих органов. 
Theoretical justification is presented in article influence of oscillatory parameters of working bodies on process of a separation of the 
soil  from  a  working  surface  of  a  cultivator  sweep.  Opportunities  influence  on  process  of  movement  of  soil  particles  by  change  of  amplitude-
frequency characteristics of bearing systems of working bodies are shown. 
 
Увеличение производства зерновых культур в зоне Северного Казахстана непосредственно связано 
с широким внедрением современных систем земледелия, в том числе, минимальных и энергосберегающих 
технологий. Одним из путей снижения энергоемкости технологий возделывания зерновых культур является 
уменьшение  количества  технологических  операции  или  их  совмещение.  Другим  направлением  является 
разработка совершенных рабочих органов почвообрабатывающих машин. 
Проведенные теоретические исследования позволили получить зависимость, определяющие тяговое 
сопротивление  клина  совершающие  колебательные  и  поступательное  движение.  Ее  можно  представить  в 
следующем виде [1]: 

)
1
)(
(
g
)
(
g
f
g
2
2
2
1
2
1
1





















Sin
fCos
t
bSin
hBl
Sin
t
aSin
hBl
k
Sin
v
hB
k
hBl
k
P
ОБ
ОБ
ОБ
ОБ
   (1) 
В  случае,  когда  рабочий  орган  неподвижен  относительно  рамы  машины,  то  силы  инерции  равны 
нулю в этом случае уравнение (1) принимает вид 
)
g
(
2
1



Sin
v
hB
hBl
k
P
ОБ
ОБ


                               (2) 
Слагаемые  уравнений  (1)  и  (2)  показывают,  что  движущаяся  сила  клина  при  взаимодействий  с 
почвой зависит от многих факторов: 
-  свойств  почвы,  которые  выражаются  объемной  плотностью
ОБ

и  коэффициентом  трения 
f
поверхность клина; 
-  конструктивных  параметров  клина,  выраженных  углом  крошения 

клина,  шириной  захвата  и 
длиной рабочей поверхности рабочих органов 
B
и 
l
. 
- технологических параметров глубины обработки 
h
 и рабочей скорости движения 
v
. 
В  случае,  когда  клин  дополнительно  совершает  колебательное  движение,  появляются 
дополнительные кинематические параметры: такие как частота колебания 

и амплитуда колебания 
a
 и 
b
клина. 
Все перечисленные параметры находятся в сложной взаимосвязи. В выражение (1) входят рабочая 
скорость  и  частота  в  квадрате.  Это  обстоятельство  указывает  на  существенную  зависимость  тягового 
сопротивления клина, перемещающегося в почве, от рабочей скорости и частоты колебаний. 
Проведем  анализ  уравнения  (1)  на  оптимум,  как  целевой  функции. Выражение  (1),  определяющее 
значение  тягового  сопротивления  РО,  является  функцией  n  -  переменных  и  при  угле  крошения 

-  6°; 
глубине обработки 
h
= 0,05 м; плотности почвы - 1,2*10
3
 кг/м
3
, длине рабочей поверхности клина l = 0,05 
м, было аппроксимировано с помощью параболического сплайна [2] к получено следующее выражение: 
1
2
2
1
2
4
3
1
5
,
3
42
,
0
25
,
10
Х
Х
Х
Х
Х
Х
P



                   (3) 

 
280 
где 
1
Х
- ширина захвата P0, м; 
2
Х
- скорость движения, м/с;  
3
Х
- амплитуда колебания, м; 
4
Х
- частота колебания, Гц. 
Равнодействующая  общего  тягового  сопротивления  колеблющего  клина  здесь  рассмотрена  как 
функция от одного геометрического, двух кинематических параметров рабочих органов и технологической 
скорости движения: 
)
,
,
,
(

a
v
B
f
P

 
                                           (4) 
Интервал варьирования параметров примем в пределах: 
B
= 0,41...1,0 м; 
a
= 0 , 0 2 . . . 0,05 м; 
v
= 1,2…3,3 м/с;      

= 2...7,5  Гц.                               (5) 
Задачей  оптимизации  функции  ( 5 )   является  нахождение  оптимальных  геометрических, 
технологических  и  кинематических  параметров  рабочих  органов,  которые  соответствовали  бы  общему 
минимальному решению функции по критерию тягового сопротивления. 
Данная  задача  является  задачей  нелинейного  программирования,  заключающаяся  в  поиске 
минимума функции при наличии ограничение и была оптимизирована численным методом прямого поиска 
Хука-Дживса [3,4,5] по специально разработанной программе.  
Конструктивные, кинематические и технологические параметры рабочих органов должны удовлетворять 
следующей системе двусторонних ограничений: 0,41<
1
Х
< 1,0;  1,2<
2
Х
< 3,3; 0,02 <
3
Х
< 0,05; 2,0 < 
4
Х
< 7,5.             
В  области  (6)  допустимых  значений  параметров 
1
Х
,
2
Х
,
3
Х
,
4
Х
  необходимо  обеспечить 
неотрицательность функции (4), добавив к системе ограничений условие 
0
)
,
,
,
(
4
3
2
1


X
X
X
X
f
P
                                   (7) 
Задача математического программирование с нелинейной целевой функцией (4), содержащей систем 
ограничений в виде неравенства (6) решалась численным методом Хука-Дживса. 
В результате решения задачи нелинейного программирован исследуемой целевой функции при  угле 
крошения 

= 6°, начальном шаге поиска 
h

= 0,01 для скоростей движения - 1,2...3,33 м/с были получены 
следующие оптимальные значения параметров рабочих органов: ширина захвата - 0,5 м, скорость движения - 
1,2 м/с, амплитуда колебания - 0,02м, частота колебания рабочего органа - 7,5 Гц. 
При  тех  значениях  начальных  параметров  целевой  функции,  но  для  угла  крошения 

=  10° 
оптимальные параметры принимали следующие значения: ширина захвата - 0,5 м, скорость движения -1,2 м/с, 
амплитуда колебания -  0,05 м, частота колебания рабочего органа - 6,2 Гц. 
Полученные  результаты  вычисления  показывают,  что  целевая  функция  тягового  сопротивления 
рабочего  органа  культиватора  будет  минимальной  при  следующих  оптимальных  значениях  входящих 
конструктивных и технологических параметров, т.е. 
м
X
B
5
,
0
1


и 
c
м
X
v
/
2
,
1
2


, а также при 
оптимальных  значениях  дополнительных  кинематических  параметров  -  частоты  и  амплитуды  колебания 
Гц
X
5
,
7
...
2
,
6
4



 и  
м
X
b
a
05
,
0
3



 
 
Список литературы: 
 
1.  Есхожин  К.Д.,  Коломиец  В.В.  Определение  тягового  сопротивления  клина,  совершающего 
колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. - М.: Сб. трудов ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш. 
–  М. 1991. -  № 1446, - ТС61 
2. Бор К.Д. Практическое руководство по сплайнам. – М.: Радио и связь, 1985 г. – 304 с. 
3. Банди Б. Методы оптимизации: Вводный курс. - М.: Радио и связь, 1988. – 128 с. 
4. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное прогнозирование. - М.: Мир, 1975. – 56 с. 
5. Щуп Т.Е. Решение инженерных задач на ЭВМ. - М.: Мир, 1982. – 238 с. 
 
 
 
 
 
 
 

 
281 
УДК 664.78 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА ПРИ 
ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗЕРНА КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР 
 
Румянцев А. А., к.т.н., доцент  
Костанайский инженерно-экономический университет им. М. Дулатова 
 
 
Макалада  қанық  бұдың  конденсациясының  ашықтығы  қарақұмықтың  дәннің  жылжымайтын  нысанасында  тағайындалды, 
сұлу және арпаның астығының қысыммен шығылдауында гидротермиялық ӛңдеу қондырғы. 
В статье определена интенсивность конденсации насыщенного пара в неподвижной  зерновой массе гречихи, овса и ячменя в 
период прогрева зерна в установках гидротермической обработки периодического действия, работающих под давлением. 
In  article  intensity  of  condensation  of  saturated  steam  in  the  motionless  grain  mass  of  a  buckwheat,  oats  and  barley  during  grain 
warming up in installations of hydroheat treatment of the periodic action, working under pressure is defined. 
 
Технико-технологическое обеспечение гидротермической обработки (ГТО) зерна крупяных культур 
включает применение насыщенного пара избыточного давления. 
Отсутствие информации об интенсивности конденсации насыщенного пара не позволяет достоверно 
оценивать  тепловые  и  ресурсные  потоки  в  установках  различных  типов,  предназначенных  для  этой  цели, 
что,  в  свою  очередь,  ограничивает  возможность  реализации  более  точных  и  надежных  подходов  при  их 
проектировании и эксплуатации, а также экономических расчетах. 
Цель  настоящего  исследования  -  определение  интенсивности  конденсации  насыщенного  пара  в 
неподвижной  (стационарной)  зерновой  массе  крупяных  культур  (гречиха,  овес,  ячмень)  в  период  прогрева 
зерна (нестационарный режим) в установках ГТО периодического действия, работающих под давлением. 
Учитывая  сложность  определения  кинетики  температуры  поверхности  зерна  экспериментальным 
путем,  нами  были  произведены  расчеты  как  температуры  поверхности  зерна,  так  и  разности  между  ней  и 
температурой теплоносителя с целью выяснения влияния последней на интенсивность конденсации пара. 
Экспериментальные  исследования  проводились  с  использованием  установки  традиционной 
конструкции  при  температуре  подаваемого  пара  100;  120;  143  и  158  °С  (избыточное  давление 
соответственно  0;  0,2;  0,3  и  0,5  МПа).  Геометрическая  вместимость  рабочей  камеры  0,4  м
3
,  а  разовая 
загрузка  -  100  кг.  При  постановке  опытов  помимо  давления  и  температуры  пара  измерялось  количество 
конденсата, поступающего из рабочей камеры за определенный интервал времени (15с). 
Экспериментальные данные апроксимировались выражением вида 
 
n
k
VH
k
T
j
r
R



   

 
, 
 
 
 
(1) 
где  

 – коэффициент теплоотдачи пара зерну, Дж/(м
2

с

град); 

 – порозность слоя зерна; 
k
n 
–  коэффициент  экранировки,  учитывающий  уменьшение  поверхности  конденсации  за  счет 
контакта зерновок и изменения их удельной поверхности (было принято k
n
 =0,93 [1]); 
)
(

Т
Т
Т
п



  –  разность  между  температурой  теплоносителя  Т
n
  и  текущей  температурой 
поверхности зерна Т(

), К; 
r – удельная теплота парообразования (конденсации), Дж/кг; 
R
VH 
– определяющий размер зерновки (отношение объема зерновки к ее поверхности) перед ГТО, м. 
Коэффициент  теплоотдачи 

  и  разность  температур  теплоносителя  и  поверхности  зерна 
определялись  по  зависимостям,  приведенным  в  [2],  при  этом  в  качестве  исходных  данных  в  них приняты 
теплофизические характеристики зерна, пара, конденсата, геометрические параметры зерновки и слоя зерна, 
а также структурные характеристики последнего. 
Результаты  экспериментальных  исследований  и  проведенных  расчетов  приведены  на  рисунке,  из 
которого видно следующее. 
Интенсивность  конденсации  пара  в  зерновой  массе  в  значительной  степени  зависит  от  разности 
температур  между  ним  и  поверхностью  зерновок.  К  окончанию  периода  прогрева  зерна  (120с)  интенсивность 
конденсации  пара  снижается  примерно  в  9  раз  по  сравнению  с  первоначальной.  Наибольшая  интенсивность 
конденсации пара, приходится на начальный период прогрева в интервале времени примерно 60с, а затем быстро 
снижается вместе с уменьшением разности температур пара и поверхности зерна. 
В то же время, вид зерна, подвергнутого ГТО, практически не влияет на интенсивность конденсации 
пара,  при  этом  расхождение  экспериментальных  данных  по  всем  видам  зерна  в  тот  или  иной 
фиксированный момент времени не превышал 6%. 
Существенно  влияет  на  интенсивность  конденсации  температурный  режим  насыщенного  пара, 
который при одинаковой начальной температуре поверхности зерна определяет разность температур между 
ними. 

 
282 

жүктеу/скачать 7,13 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: