867

сдвиг тока на опережение по отношению к напряжению в этих обмотках. Остаѐтся определить фазовый угол сдвига между первичными и вторичными токами, который должен быть равным или близким к нему для образования бегущего

магнитного поля и под действием магнитодвижущей силы создать тяговую силу – 7 для приведения в движение с неким скольжением ферромагнитную среду материала в канале.

Проанализируем подключение первичных обмоток возбуждения к однофазному источнику питания, настраивая их на резонанс токов, а вторичные обмотки подключаем к конденсатору, настраивая их на резонанс напряжений. Для этого составим принципиальную электрическую схему ЛД представленную на Рис.2. Появление линейной тяговой силы F означает, что результатом является преобразование электрической энергии в магнитную энергию для механических перемещений. Следовательно, ЛД не является трансформатором, но принципиальная суть физических явлений сохраняется. Резонанс токов достигается при параллельном соединении реактивных сопротивлений и их равенстве XL1=XC1. При резонансе напряжений вторичных обмоток ѐмкость С2 с индуктивностью L2 соединяются в цепи при их равенстве XС2= XL2 последовательно. Число витков обмоток возбуждения одинаково, т.е. W1=W2 и равны их активные сопротивления

R1=R2.

N

Е1 Е2

Рис.2 – Электрическая схема ЛД

По Рис.2 и на основании законов Кирхгофа составим комплексные уравнения электрических цепей:

181

Рис.3 – Векторная диаграмма ЛД при резонансе токов для W1

и резонансе напряжений для W2

По полученным уравнениям составим упрощенную векторную диаграмму аналогично трансформатору с емкостной нагрузкой. Принципы построения векторов известны из электротехники [2]. За начальный вектор следует принимать общий параметр, в данном случае им является магнитный поток Фm, см. Рис.3, затем наносятся равные по модулю, поскольку W1=W2, электродвижущие силы Е1, Е2 с отставанием от потока Фm на фазовый угол Вектор тока холостого хода

принято учитывать, поскольку существует зависимость от конструктивных особенностей, он откладывается под некоторым углом в сторону опережения от потока Фm. Ток вторичных обмоток с преобладанием емкостной нагрузки условно строится вектором с опережением от наведенной э.д.с. . Дальнейшее построе-

ние векторной диаграммы ведется по составленным уравнениям (1, 2, 3, 4).

На векторной диаграмме Рис.3 отражаются условные векторные состояния электрических параметров ЛД. Первичные обмотки возбуждения включены в однофазную сеть в резонанс токов , они находятся в противофазе, что означает обмен реактивных энергий между индуктивностью и емкостью

без потребления энергии из сети и без отдачи энергии в сеть. Тогда потребление энергии из сети определяется активным сопротивлением первичной обмотки возбуждения током , и находится по формуле (4).

Ток обмотки W1 при реактансе определяется , т.е много больше и следовательно больше магнитный поток Фm. Потребление тока будет минимальным при резонансе токов.

182

Для вторичных обмоток возбуждения W2 при резонансе напряжений существует их равенство по модулю, они близки к противофазному состоянию, что объясняется неточностью построения упрощенной векторной диаграммы см. Рис.3. Ток по модулю несколько превышает ток потребления от однофазной сети, что подтверждает увеличение магнитного потока Фm при резонансе токов в обмотках W1. Из уравнения (2) электродвижущая сила - равна по модулю с но с угловым отставанием от напряжения.

Индуцированный ток , во вторичных обмотках возбуждения W2 по построенной векторной диаграмме см. Рис.3 действительно имеет угол отставания

от первичного тока в обмотках возбуждения W1.

Таким образом, если рассматриваемый ЛД настроен на резонанс токов для первичных обмоток и резонанс напряжений для вторичных обмоток, то фазовый сдвиг токов между ними составляет угол Это означает образование второй фазы

магнитного потока Ф2 в ЛД с изменением импеданса электромагнитной системы, т.е. перераспределение потоков и электрических величин по векторным направлениям, которые на векторной диаграмме не показаны. Зато обозначение на временной диаграмме, см. Рис.4, по токам и магнитным потокам даѐт представление об образовании бегущего магнитного поля ЛД для создания тяговой силы для материалов, находящихся в канале и обладающих магнитной проницаемостью µ. Равные шаговые промежутки τ аналогичны полюсному делению роторных машин и зависят от конструкции ЛД. Работоспособность ЛД очевидна, настройка на резонансные воздействия может осуществляться различными путями:

t

Рис.4 – Временная диаграмма бегущего поля ЛД

1.Практическим подбором ѐмкостей при использовании измерительных приборов;

2.Графическим путем, построением векторных диаграмм с масштабированием электрических и магнитных величин;

3.Аналитическим решением, хотя это является затруднительным из-за неопределѐнности электрических параметров.

183

И, тем не менее, если ЛД будет снабжен чувствительным подбором емкостных нагрузок, то добиться резонансных явлений не сложно. Сначала настроить первичные обмотки при холостом ходе, и затем вторичные обмотки при заданной нагрузке с определѐнными свойствами.

Главным преимуществом резонансных ЛД является колоссальная экономия по потреблению электрической энергии по сравнению с обычными машинами, поскольку электрическая энергия переходит в магнитную энергию по созданию магнитодвижущих сил и cosυ не будет решающим показателем. Здесь, при резонансных воздействиях электрической энергии, происходит снижение реактанса электромагнитной системы до минимальных значений, что приводит к резкому возрастанию магнитодвижущих сил, подобно уменьшению реакции якоря в электрических машинах, если использовать дополнительные обмотки возбуждения. Использование уменьшения реактанса системы реактивных составляющих, которые не производят работу, даѐт возможность изменить их величины сопротивлений или проводимостей до нулевого состояния, в чѐм и заключается повышение к.п.д..

В настоящее время однофазные резонансные ЛД переменного пока не используются. Применять ЛД с традиционной трѐхфазной системой питания особой выгоды не даѐт по причине индивидуального изготовления. При двухфазной системе питания переменным током ЛД показали неустойчивое состояние по тяговым характеристикам. Стоит обратить внимание на использование резонансных ЛД однофазного питания на больших переменных токах при транспортировке металлов с одновременным подогревом или закалкой на повышенных частотах, на создание установок большой мощности компактных конструкций по сортировке, очистке, расходу, перекачке и в других энергоѐмких технологических процессах.

Литература

1.Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р. Электропривод и электрооборудование – М.: КолосС, 2008. – 328с

2.Иванов И.И., Соловьев Г.И. Электротехника – СПб.: Лань, 2009. – 496с.

3.Фролов Ю.М., Шелякин В.П. Основы электрического привода – М.: КолосС,

2007. – 252с.

4.Фролов Ю.М., Шелякин. В.П. Проектирование электропривода промышленных механизмов – СПб.: Лань, 2014. – 448с.

УДК 631.316.22

А. С. Костин, С. Е. Федоров, М. Н. Чаткин, МГУ им. Н.П. Огарѐва, Россия

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ БЕЗОТВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Аннотация. Рассмотрены наиболее распространенные типы сменных рабочих органов глубокорыхлителей. Проведенный анализ показал, что в большинстве случаев применяются прямые стойки, наклоненные под углом 15-20° к вертикали, а долота имеют преимущественно плоскую форму, угол их установки к дну борозды находится в пределах 20-30°. Наклон стойки в противоположную

184

сторону используется только при щелевании лугов, пастбищ и сеяных трав. Однако применяемые в настоящее время орудия для разуплотнения почвы имеют высокую энергоемкость и низкую производительность. Конструктивные параметры рабочих органов обеспечивают выполнение агротехнических требований только для той почвы, физико-механические свойства которой учитывались при расчетах. Однако даже в пределах одного поля или одной рабочей смены физикомеханические свойства могут измениться настолько, что выполнение агротехнических требований с данными конструктивными параметрами становится затруднительным. Поэтому для обеспечения выполнения агротехнических требований при изменяющихся свойствах почвы необходимо создавать рабочие органы с регулируемыми конструктивными параметрами.

Ключевые слова: рабочий орган, глубокорыхлитель, обработка почвы.

Рабочие органы глубокорыхлителей состоят, как правило, из стойки с закрепленным на ней долотом. Для расширения зоны рыхления рабочий орган часто оснащается уширителем и дренером.

Форма и параметры стоек, долот и уширителей весьма разнообразны и выбираются в зависимости от глубины рыхления, типа почвы и обеспечения минимальных энергозатрат. Ниже в данной статье нами рассмотрены наиболее распространенные типы сменных рабочих органов глубокорыхлителей и щелевателей как применяемых в серийных машинах, так и запатентованных в разных странах (рисунок 1).

Рис. 1. Рабочие органы глубокорыхлителей

185

По форме стойки бывают прямые, установленные под различным углом к вертикали (рисунок 1, стойка №1) или с отрицательным наклоном к направлению движения (рисунок 1, стойка №2); криволинейные (рисунок 1, стойка №3); наклонные (рисунок 1, стойка №4) и стойки для объемного рыхления (рисунок 1, стойка №12) [1,10].

В большинстве случаев применяются прямые стойки, наклоненные под углом 15-20° к вертикали, а долота имеют преимущественно плоскую форму, угол их установки к дну борозды находится в пределах 20-30°. Наклон стойки в противоположную сторону используется только при щелевании лугов, пастбищ и сеяных трав [1].

Прямые стойки с долотом имеют существенный недостаток: при значительном тяговом сопротивлении у них ограниченная зона рыхления, а на дне борозды по следу прохода двух соседних стоек остается гребень значительной высоты. Поэтому большинство иностранных фирм перешли на выпуск глубокорыхлителей и плугов-рыхлителей с рабочими органами в виде наклонных стоек типа «параплау» (А.с. № EP0101245A2, рисунок 1, стойка №4) [1].

Вертикальная стойка деформирует почву сжатием и смятием, а при деформации почвы наклонной стойкой имеются элементы ее сдвига, поэтому на дне борозды остается гребень значительно меньшей высоты, чем при работе прямой стойки [1].

Основным недостатком этих рабочих органов является повышенное тяговое сопротивление при залипании почвой дисковых ножей, а также невозможность работы на полях после пропашных культур без предварительного дискования почвы в 2 следа, и их трудно использовать для орудий, предназначенных для рыхления почвы на глубину, превышающую 0,45 м.

Корпуса рабочего органа разработки СибИМЭ, устанавливаемые на отечественных плугах вместо отвальных корпусов, включают вертикальную стойку с приваренным в нижней части башмаком, на котором установлены полевая доска и лемех (рисунок 1, стойка № 5) [7]. Отрицательным качеством считается большая энергоемкость на единицу ширины захвата, рыхлящие элементы имеют одну степень подвижности и уплотняют почвенную подошву.

Вотличие от других глубокорыхлителей, представленных на рынке, которые приподнимают слой почвы под наклоном, либо спрессовывают ее путем бокового перемещения, лапа фирмы «AGRISEM» со смещенным режущим элементом (рисунок 1, стойка № 6) способствует образованию вертикальной грузоподъемной силы, позволяющей осуществлять однородное приподнятие слоя почвы, возвращающегося на свою изначальную позицию после прохождения «волны» при продвижении агрегата вперед, что обеспечивает однородность рыхления по всей ширине приподнимаемого слоя почвы, сохраняя целостность

ееструктуры [4].

ВГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии разработан аналогичный рыхлитель двухъярусный безотвального типа со смещенным режущим элементом и с плоскорежущей лапой шириной захвата 35 см (рисунок 1, стойка №7) [3].

186

Основной недостаток - незначительная глубина обработки, что не позволяет эффективно разрушать плужную подошву.

Стойка рабочего органа фирмы «Bomford Evershed Ltd» (А.с. № EP0100186A2), в отличие от общепринятых, имеет отрицательный наклон к направлению движения (рисунок 1, стойка № 2). Отрицательный наклон стойки глубокорыхлителя может иметь негативную сторону: при недостаточной массе орудие может выглубляться, особенно на плотных почвах [1].

Рабочие органы универсального плуга «Геккон» разработки КубГАУ, в отличие от современных чизельных плугов, представленных на рынке, имеют возможность трансформироваться (рисунок 1, стойка № 8)! Причем в положении «глубокорыхлитель», во время заглубления машины, стрельчатые лапы складываются, а под действием сил сопротивления почвы раскладываются уже на глубине [8].

ВНижневолжском НИИСХ разработан многофункциональный рабочий орган «РАНЧО» (рисунок 1, стойка № 9), включающий стойку, башмак с накладным долотом, пару подрезающих крыльев и отвал, закрепленные на стойке с возможностью дискретного вертикального смещения [2].

Недостаток этого рабочего органа в том, что он имеет башмак, который выступает в качестве опоры, что будет способствовать образованию плужной подошвы и налипанию на него почвы и замазыванию борозды, проделываемой долотом, вызывая увеличение тягового сопротивления.

ВЧувашской ГСХА разработаны подпокровные рыхлители, включающие щелерезные стойки с блоками кротователей-рыхлителей, выполненными в виде 4-

хзаходной конической логарифмической спирали и имеющими четыре степени

подвижности (рисунок 1, стойка № 11) [6]. Отрицательным качеством этого рыхлителя можно считать недостаточное крошение поверхностных слоев почвы, залипание кротователя при влажной обработке почвы.

Рабочий орган объемных рыхлителей разработки ВНИИГИМ – стойка V– образной формы включает лемех и 2 боковых ножа, расположенных в поперечной плоскости под углом 90° друг к другу (рисунок 1, стойка № 12) [10].

Отрицательным качеством работы является наличие слабо выраженной полосы между стойками (при двухстоечном варианте рыхлителя), а также при сплошном рыхлении одной стойкой гусеница (колесо) трактора движется по разрыхленной почве для того, чтобы обеспечить перекрытие полос для следующего прохода и тем самым уплотняет почву, вызывая повышенное тяговое сопротивление для следующего прохода.

Для работы в очень тяжелых условиях (каменистые почвы, раскорчеванные участки и т.п.) фирмы «Industrias David» и «Ritchie» оснащают глубокорыхлители стойками с выдвижным долотом (рисунок 1, стойка № 10). По мере изнашивания долото выдвигают вперед. Это увеличивает срок службы в 2…2,5 раза [5,9]. Для защиты стоек рыхлителей от поломок они оснащаются различными типами предохранительных устройств: срезным болтом, либо пружинным или гидропневматическим предохранителем автоматического действия, предохранительным устройством в виде колена и предохранителем рессорного типа. На основа-

187

нии проведенного анализа конструкций рабочих органов существующих орудий для глубокой основной безотвальной обработки почвы можно сделать следующие выводы:

1.В стандартный комплект корпуса рабочего органа входят: стойка, долото, уширитель, дренер. В качестве дополнительного оборудования прикладываются дисковый нож, бороздорезы, уширители борозды, прикатывающие катки или диски.

2.В большинстве случаев применяются прямые стойки, наклоненные под углом 15-20° к вертикали, а долота имеют преимущественно плоскую форму, угол их установки к дну борозды находится в пределах 20-30°. Наклон стойки в противоположную сторону используется только при щелевании лугов, пастбищ и сеяных трав.

3.Применяемые в настоящее время орудия для разуплотнения почвы имеют высокую энергоемкость и низкую производительность. Конструктивные параметры рабочих органов обеспечивают выполнение агротехнических требований только для той почвы, физико-механические свойства которой учитывались при расчетах. Однако даже в пределах одного поля или одной рабочей смены физикомеханические свойства могут измениться настолько, что выполнение агротехнических требований с данными конструктивными параметрами становится затруднительным. Поэтому для обеспечения выполнения агротехнических требований при изменяющихся свойствах почвы необходимо создавать рабочие органы с регулируемыми конструктивными параметрами.

Литература

1.Токушев Ж. Е. Теория и расчет орудий для глубокого рыхления плотных почв – М.:

Инфра-М, 2003. – 300 с.

2.http://nwniish.ru/?p=1472

3.http://skniimesh.ru/service/mexpol/kombinirovannyjj-agregat-kao_2.html

4.http://www.agrisem.com

5.http://www.industriasdavid.com

6.http://www.polytech21.ru/news/1846-podpokrovnyj-rykhlitel-znachitelno-snizhaet- energozatraty-pri-pochvoobrabotke

7.http://www.promspravka.com/catalog/D/K/29/3/32/32/1/11/510/9/3/Plosk_1808.html

8.http://www.regionkr.ru/selhoz.html

9.http://www.ritchie-d.co.uk/content/actisol-grassland-subsoiler

10.http://www.vniigim.ru/index.php?categoryid=25

УДК 532.5(075.8)

В.С. Кошман, Пермская государственная сельскохозяйственная академия, Пермь, Россия

ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА В ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРАВЛИКЕ

В работе отмечено, что методами гидродинамики решается широкий курс инженерных задач. В гидравлике используются понятия критерий Рейнольдса и число Рейнольдса, что правомерно. Приведены аргументы об отсутствии необходимости внесения изменений в изложении курса гидравлики.

188

Ключевые слова: число Рейнольдса, критерий Рейнольдса, гидравлический коэффициент трения, коэффициенты местного сопротивления.

Наряду с гидростатикой, в гидравлике изучается и движение жидкости. Методами гидродинамики решается большое число инженерных задач с точностью, которая отвечает запросам практики. В их числе определение падения давления р по длине l трубопровода, оценка пропускной способности труб, нахождение их внутреннего диаметра d и другие. Решение подобных задач предполагает знание гидравлического коэффициента трения λ и коэффициентов местных сопротивлений ξм, в том числе, и в функции от числа Рейнольдса Re:

В тоже время в теплотехнике безразмерный комплекс Re называется критерием Рейнольдса. Через него определяют, скажем, критерий Нуссельта Nu, следуя тому или иному критериальному уравнению

Возникает вопрос Re – число или критерий подобия. И.Ш. Коган (Израиль, 2006, 2008) отмечает [1], что «при изучении гидравлики обычно ограничиваются частным применением критерия Рейнольдса Re, который неверно называется числом Рейнольдса» и предлагает изменить изложение учебной дисциплины.

С учетом закона внутреннего трения Ньютона уравнение установившегося напорного течения жидкости в круглой трубе имеет вид

Перейдя к безразмерным величинам и разделив слагаемое на υ2l, приходим к безразмерной форме уравнения движения

(2)

Здесь Eu – критерий Эйлера; ρ – плотность жидкости; ν – кинематический коэффициент ее вязкости; υ – средняя скорость; – относительный радиус тру-

бы и т.д. Течения жидкости в трубе будут подобными, если выполняется условие

Решение уравнения (1) известно [2] и

(3)

Путевая потеря напора hl определяется по формуле Дарси-Вейсбаха

189

а также опытным путем

что позволяет прийти к равенству

(4)

Тогда в согласии с (3) имеем выражение для определения гидравлического коэффициента трения

(5)

а также соотношение

(6)

Здесь Re выступает как определяющий критерий подобия, а – параметри-

ческий критерий подобия. Авторы [3] полагают, что гидравлический коэффициент трения λ является частным выражением критерия Эйлера Eu. Однако его можно рассматривать как меру отношения «потерянной» механической энергии к кинематической энергии на длине потока равной одному его диаметру. Принимая во внимание соотношения (3) – (6) можно сказать, что формула Дарси –Вейсбаха является одной из форм записи критериального уравнения подобия.

В согласие с (3) можно отметить, что в подобных потоках критерии подобия, пропорциональные отношениям отдельных действующих сил, не могут иметь произвольных значений числовых величин. В подобных установившихся потоках величины критериев подобия взаимоувязаны и одинаковы:

7

Для короткого участка трубы с местным сопротивлением уравнения Бернулли и расхода, а также формула Вейсбаха позволяют прийти к равенству

или

(8)

что аналогично записи вида (6) и позволяет рассматривать безразмерные коэффициенты местного сопротивления как своеобразные критерии подобия гидродинамических течений при экспериментальных исследованиях.

Подобие движения жидкости, кинематическая характеристика которого определяется инертностью и вязкостью жидкости, осуществляется при геометрическом подобии границ потока, кинематическом подобии на границах и равенстве числовых значений критерия Рейнольдса Re для потоков [3,4]. В данной связи при расчете течения жидкости в трубопроводах особую значимость приобретает вопрос поиска величин коэффициентов сопротивления λ и ξм в функции от числа Рейнольдса Re потока жидкости и других определяющих их факторов. При поиске эмпирических закономерностей изменения коэффициентов сопротивления λ и ξм по результатам опытов безразмерный комплекс Re = υd/ν выступает как определяющий критерий подобия [4], что принципиально. При проведении гидравли-

190