Development of an Adaptive Centrifugal Working Tool for Mineral Fertilization Using Rapid Prototyping Technologies

全文:

Введение

В целях обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации внутреннее потребление зерна должно не менее чем на 95 процентов состоять из отечественного зерна¹.

Для того чтобы достичь поставленную цель, снизить себестоимость производства зерна и сохранить конкурентоспособность в данном направлении, необходимо применять современные энергосберегающие технологии на всех этапах производства [1–5].

Одним из таких этапов является внесение удобрений². Именно на данном этапе происходит закладка питательных элементов, используемых растениями в течение всего периода вегетации. Кроме того, внесение удобрений приводит к восстановлению плодородия почвы [6].

В последнее время чаще всего вносят минеральные гранулированные удобрения [7]. Основным преимуществом является высокая производительность машин при их внесении, а также транспортировка, хранение и т. д.³

Главным требованием при внесении минеральных удобрений является равномерность их распределения по полю. Неравномерность внесения приводит к неоднородности структуры посевов, накоплению нитратов, а также к загрязнению окружающей среды [8–10].

Поэтому исследования, посвященные повышению качества внесения минеральных удобрений по поверхности поля, являются актуальными и имеют важное научно-техническое и хозяйственное значение для агропромышленного комплекса страны.

Обзор литературы

Машины для внесения минеральных удобрений, как правило, выпускаются в навесном и прицепном исполнении и агрегатируются с энергетическими средствами. В последние годы расширяется линейка самоходных машин, в том числе и на шинах сверхнизкого давления. Их объединяет центробежный рабочий орган, на качественные показатели работы которого влияют конструктивные и кинематические параметры⁴ [11; 12]. Неоспоримые преимущества машин с центробежными дисковыми рабочими органами – это их цена, надежность и производительность. В зависимости от технологии внесения минеральных удобрений и специфики сельскохозяйственного предприятия используют машины с одно- и двухдисковыми центробежными аппаратами [13]. Многочисленными исследованиями установлено, что машины с однодисковыми аппаратами чаще всего применяются для внесения малых и средних норм [14].

Формы рабочих органов, как правило, имеют плоское круглое исполнение, реже квадратное. Существуют рекомендации по использованию рабочих органов со спиралевидными вырезами кромки диска, а также сферические, конусные и диски более сложных форм⁵ [15].

Диаметр рабочих органов находится в диапазоне 300–900 мм, а частота их вращения до 1 000 об/мин. По мнению ряда исследователей, размеры рабочих органов и частота вращения увеличиваются с целью повышения производительности⁶.

Основными недостатками центробежных рабочих органов является то, что они не всегда обеспечивают высокую равномерность внесения, а также повреждают гранулы минеральных удобрений на высоких оборотах исполнительного элемента [16–18].

Материалы и методы

К основным качественным показателям работы разбрасывателей относят рабочую ширину захвата и равномерность распределения минеральных удобрений по поверхности поля. Как показывает практика, на оба показателя существенное влияние оказывает скорость гранул в момент схода их с центробежного рабочего органа:

$\vartheta =\omega \cdot R$ ,                       (1)

где ω – угловая скорость рабочего органа, рад/с; R – радиус рабочего органа, м.

После схода с рабочего органа на гранулы минеральных удобрений действуют сила тяжести G и сила сопротивления воздушного потока R (рис. 1).

 

 

 

 

Рис. 1. Схема к определению дальности полета гранул минеральных удобрений

Fig. 1. Scheme for determining the flight range of mineral fertilizer pellets

 

 

Кроме скорости на дальность полета гранул минеральных удобрений оказывают влияние угол схода частиц с рабочего органа, высота установки, аэродинамические свойства удобрений и т. д.:

$x=\frac{v_o^2{\sin }^{2}2\alpha }{g}\left(\frac{1}{2}\pm \sqrt{\frac{1}{4}+\frac{hg}{2v_o^2\sin \alpha }}\right)$ ,  (2)

где v_o – абсолютная скорость схода гранул с диска, м/с; α – угол схода гранул относительно горизонта, град; g – ускорение свободного падения, м/с²; h – высота установки рабочего органа, м.

Если предположить, что угол и скорость схода гранул с разных точек рабочего органа будет отличаться, то и дальность их полета будет различной, что благоприятно отразится на равномерности распределения⁷.

На основании данного предположения предложена конструкция адаптивного центробежного рабочего органа (рис. 2), новизна технического решения которого подтверждена патентами РФ [19; 20].

 

 

 

Рис. 2. Адаптивный центробежный рабочий орган:
1 – коническая часть; 2 – диск; 3 – спиралевидные вырезы; 4 – лопасти

Fig. 2. Adaptive centrifugal working body: 1 – conical part; 2 – disk; 3 – spiral cutouts; 4 – blades

 

 

Адаптивный центробежный рабочий орган выполнен в виде диска 2 сферической формы со спиралевидными вырезами 3. На диске установлена коническая часть 1. Разбрасывающие лопасти 4 различной длины расположены на конической части 1 и переходят на диск 2. Согласно выражению (1), с лопастей различной длины гранулы минеральных удобрений будут сходить с разной скоростью и под разными углами α (рис. 1), что окажет влияние на дальность полета и равномерность распределения туков. 

Результаты исследования

С целью дальнейшей оптимизации и доработки конструкции рабочего органа разбрасывателя была создана пространственная модель (рис. 3). Исследования механических систем посредством программных средств делают возможным поиск наиболее проблемных мест, которые требуют последующей доработки или модификации. Это существенно сокращает сроки получения конечного инновационного  продукта. Такие изыскания просто необходимы для изменения и оптимизации геометрических параметров диска и лопастей в целом [21].

 

 

 

Рис. 3. 3D-модель адаптивного центробежного рабочего органа

Fig. 3. 3D model of adaptive centrifugal working tool

 

Создание CAD-модели (Сomputer-Aided Design) рабочего органа разбрасывателя удобрений может быть как окончательным, так и промежуточным этапом проектирования. В последнем случае создается CAM-модель (Computer-Aided Manufacturing), которая дает возможность  воспроизвести инновационную модель в материале в виде прототипа [22].

На таком этапе воспроизведения прототипа необходимо акцентировать внимание на возможных несовершенствах конструкции.

Для создания такого рода прототипов лучше всего подходят 3D-принтеры. Полученную таким образом модель можно изучать вживую. Такое визуальное исследование прототипа позволяет сделать заметными существенные недостатки. Порой при проектировании исследование компьютерной модели не дает возможности полноценно изучить ее, что делает незаметными недостатки [23; 24].

Поставлена цель создать рабочий прототип и установить его на серийный разбрасыватель МВУ-1200 производства «МордовАгроМаш» вместо штатных рабочих органов.

Использование таких современных средств проектирования существенно сокращает время, а у модели создаваемого объекта практически отсутствуют серьезные погрешности.

В нашем случае прототипы рабочего органа были созданы на 3D-принтере ProJet по технологии MJM с точностью построения 0,01–0,02 мм на 1 см в масштабе 1:1 из фотополимера, по свойствам схожего с АБС-пластиком (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4. Процесс печати 3D-принтера, готовый прототип

Fig. 4. 3D printer printing process, finished prototype

 

 

Изготовлено 3 прототипа рабочего органа с различными углами сферической части от 0 до 10º. Каждый из полученных прототипов испытывали на однодисковом разбрасывателе минеральных удобрений НРУ-0,5 в реальных условиях (рис. 5)⁸. Основными контролируемыми показателями при этом являлись равномерность внесения минеральных удобрений и величина рабочей ширины захвата.

 

 

 

Рис. 5. Фрагмент предварительных испытаний

Fig. 5. Fragment of preliminary tests

 

В качестве критерия оптимизации рассматривали неравномерность распределения гранул минеральных удобрений по рабочей ширине захвата. На основании методики априорного ранжирования были определены следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на критерий оптимизации: скорость движения агрегата, угол сферической части рабочего органа и длина разбрасывающих лопастей. Результаты экспериментальных исследований рабочих органов, на примере внесения нитрофоски, представлены на рисунке 6.

 

 

 

Рис. 6. Схема распределения минеральных удобрений: 1 – серийный рабочий орган;
2 – экспериментальный рабочий орган с углом сферической части 0º; 3 – рабочий орган с углом
сферической части 5º; 4 – рабочий орган с углом сферической части 10º

Fig. 6. Scheme of distribution of mineral fertilizers: 1 – serial working body;
2 – experimental working body with a spherical part angle of 0°; 3 – working body with a spherical
part angle of 5°; 4 – working body with a spherical part angle of 10°

 

 

Из полученных данных (рис. 6) и выражения (2) следует, что при одинаковых режимах работы во время внесения одних и тех же удобрений дальность полета частиц возрастает с увеличением угла схода гранул с рабочего органа.

Как видно из графика, схемы распределения гранул минеральных удобрений серийным и экспериментальными рабочими органами схожи и подчиняются нормальному закону распределения. Однако в сравнении с серийными рабочими органами, большая часть туков у которых распределена в центральной зоне, применение экспериментальных привело к перераспределению гранул минеральных удобрений с центральной зоны по краям.

Обсуждение и заключение

Использование разработанных рабочих органов приводит к увеличению рабочей ширины захвата агрегата на 10,0–22,5 %. В сравнении с серийными экспериментальные рабочие органы позволяют уменьшить неравномерность внесения гранул минеральных удобрений на 13,4 % за счет  их перераспределения с центральной зоны по краям.

Положительные результаты предварительных исследований являются предпосылкой для дальнейшей работы по обоснованию конструктивных и кинематических параметров адаптивного центробежного рабочего органа с последующими испытаниями в полевых условиях.

Применение современных методов проектирования с использованием быстрого прототипирования является очень важным инструментом, позволяющим связать теоретические зависимости с параметрами, полученными практическими исследованиями. Такой подход значительно снижает расходы, так как учитываются все возможные зависимости на этапах проектирования и выпуска разработанного рабочего органа серийно на производстве.

При современном уровне оснащения машиностроительной отрасли 3D-технологиями в перспективе возможно использование оптимизированных CAM-моделей для производства инновационного продукта не только из пластмасс, как прототип, но и непосредственно из металла. Такая технология включает в себя печать детали с нуля, что отличает ее от традиционных, где требуется вырезание из заготовки с большим расходом материала в стружку. Экономия материала может доходить до 60 %. При этом большая скорость печати и высокая точность делают эти технологии неотъемлемой частью современного высокотехнологического производства.

 

 

¹           Указ Президента РФ от 21 января 2020 г. № 20 «Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации» [Электронный ресурс]. URL: http://kremlin.ru/acts/bank/45106 (дата обращения: 01.03.2022).

²           Лапа В. В. Стратегические вопросы ресурсосбережения в использовании удобрений // Современные ресурсосберегающие технологии производства растениеводческой продукции в Беларуси : сборник научных трудов. Минск, 2007. С. 42–47. URL: https://agrosbornik.ru/sovremennye-resursosberegayushhie-texnologii/1105-strategicheskie-voprosy-resursosberezheniya-v-ispolzovanii-udobrenij.html (дата обращения: 01.03.2022).

³           Андреев К. П. Разработка и обоснование параметров рабочих органов самозагружающейся машины для поверхностного внесения твердых минеральных удобрений : дис. … канд. техн. наук. Рязань, 2017. 136 с.

⁴           Гаврилов И. И., Петровец В. Р. Выбор рабочего органа машин для внесения минеральных удобрений // Инновационные решения в технологиях и механизации сельскохозяйственного производства : сборник научных трудов. Горки : БГСХА, 2016. Вып. 2. С. 16–20. URL: https://pandia.ru/text/80/251/60045.php (дата обращения: 01.03.2022).

⁵           Белинский А. В. Разработка теории и технических средств для поверхностного внесения минеральных удобрений и мелиорантов : дис. … д-ра техн. наук. Казань, 2005. 398 с.

⁶           Лепшеев О. М. Обоснование конструктивно-режимных параметров низкорамной машины для внесения минеральных удобрений : дис. … канд. техн. наук. Белгород, 2017. 140 с. ; Следченко В. А. Совершенствование технологического процесса распределения известьсодержащих материалов центробежным разбрасывателем : дис. … канд. техн. наук. Воронеж, 2012. 141 с.

⁷           Даськин И. Н. Обоснование параметров и режимов работы центробежного рабочего органа для внесения минеральных удобрений на склонах : дис. … канд. техн. наук. Саранск, 2013. 161 с.

⁸           ГОСТ 28714-2007. Машины для внесения твердых минеральных удобрений. Методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2020.

 

作者简介

Vladimir Ovchinnikov

National Research Mordovia State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: ovchinnikovv81@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0350-8478
Researcher ID: O-6834-2018

Associate Professor of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery, Cand.Sci. (Engr.)

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St.,Saransk 430005

Evgeny Kilmyashkin

National Research Mordovia State University

Email: 40252@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4827-8277
Researcher ID: CAF-9821-2022

Associate Professor of the Chair of Basic Designing Mechanisms and Machines, Cand.Sci. (Engr.)

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Aleksey Knyazkov

Email: ka13@ro.ru
ORCID iD: 0000-0001-8559-5100
Researcher ID: AFN-5154-2022

Professor of the Chair of Basic Designing Mechanisms and Machines

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Alena Ovchinnikova

National Research Mordovia State University

Email: alena2011ovch@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2081-2367
Researcher ID: O-6853-2018

Postgraduate Student of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St.,Saransk 430005

Nikolay Zhalnin

National Research Mordovia State University

Email: nik.zhalnin2015@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4307-4619
Researcher ID: AGD-2904- 2022

Postgraduate Student of the Prof. Leshchankin Chair of Mobile Power Tools and Agricultural Machinery

俄罗斯联邦, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Evgeny Zykin

Ulyanovsk State Agrarian University

Email: evg-zykin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4795-6865
Researcher ID: AAM-5482-2021

Director, Professor of the Chair of Agricultural Technology, Machinery and Life Safety, Dr.Sci. (Engr.), Associate Professor

俄罗斯联邦, 1 Novy Venets Blvd., Ulyanovsk 432017

参考

补充文件