автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механико-технологические решения бесконтактного воздействия на почву и растения с разработкой газодетонационных агрегатов для высокоэффективного возделывания хлопчатника

г-"» а ид - 5 ДПР 1393

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИМ)

На правах рукописи ТОЖИЕВ РАСУЛЖОН ЖУМАБАЕВИЧ

УДК 631.314.4

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЧВУ И РАСТЕНИЯ С РАЗРАБОТКОЙ ГАЗОДЕТОНАЦИОННЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ХЛОПЧАТНИКА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1993

Официальные оппоненты

Работа выполнена в Ферганском политехническом институте (ФерПИ).

Надчные консультанты - доктор физико-математических

наук, профессор Карабаев М.К.;

доктор технических наук, член-корреспондент АН России Краснощеков Ю.И.

- доктор технических наук, профессор Бурченко П.Н.,

доктор технических наук, профессор Байметов Р.И.;

доктор технических наук, Кулаков И.И.

- Узбекский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства.

Ведущее предприятие

Защита состоится ";

1993 г. ?/01}(къ-сов на заседании Специализированного совета Д 020-02.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте механизащи сельского хозяйства (BUM) по адресу: •109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БИМ.

Автореферат разослан "jjfn .¿¿¿W/fa 1993 г.

/

Ученый секретарь Специализированного совета, канд. техн.наук,

ст.научный сотрудник JI.B. Мамедова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Интенсификация хлопководства требует юстоянного совершенствования всей системы технологических процессов возделывания хлопчатника. Большую долю в этой систе-ю занимают разнообразные приеш механической обработки почвы

1 растений.

В настоящее время силовое воздействие на почву передается юрез какой-либо инструмент - зуб бороны, лемех плуга, иглу роторной звездочки, диск и т.д. Однако есть некоторые виды обра-)отки почвы, в которых действие механических орудий небезупречно. Например, при рыхлении почвенной корки в регионах с жар-шм. климатом, из-за которой в Узбекистане на его хлопковом поле 1роизводят пересев до 400 тыс.га ежегодно, что требует дополнительных трудовых и энергетических затрат и приводит к затягива-шю сроков созревания хлопчатника, потере его .урожая.

Механические способы борьбы с коркой недостаточно эффективны потому, что инструмент, контактируя с ней, создает кроме зил, направленных нормально к поверхности корки, силы боковые, сдвиговые. В результате, появляется сдвиг элементов корки, "выворачивание" и повреждение семян. Из-за этого проблематично увеличение скорости обработки, а поля с уже проросшими семенами вообще нельзя обрабатывать, так как при этом повреждаются молодые растения.

Механическое воздействие создает определенные трудности и в технологическом процессе Уборки хлопка. Речь идет о шпиндельном хлопкоуборочном устройстве. Механический принцип зацепления л вытягивания волокна из коробочки влечет за собой разрыв волокна, повреждение семян, засорение шпинделей.

В данной работе исследуется новый принцип обработки применительно к операциям разрушения почвенной корки, сбора хлопка-сырца, разрушения арзыкового слоя почвы и некоторым другим, основанный на воздействии на материал детонационной (взрывной) волны. Детонация газовых смесей обычных горючих (бензин, газ и др.)

2 воздухом дает силовой импульс с параметрами: давление в ударной волне ~ 35 атм; скорость потока продуктов детонации ~ 600 м/с^ скорость детонационной волны по каналу - 1600-1800 м/с.

Такой газодинамический импульс, распространяемый на какую-либо поверхность, воздействует на нее как резкий, короткий удар,

например, старого перпендикулярно к поверхности почвы без боковых (сдвиговых) составляющих силы. "Инструментом" является газ в отличие от зуба бороны, иглы и т.д.

В этом смысле "взрывное" воздействие предопределяет существенные преимущества, а работа является актуальной.

Исследования по теме диссертации выполнены в ФерПИ в соответствии с научно-исследовательскими темами (гос.регистрация НВУ-88Э-88 шифр "Ардон" и гос.регистрация НГ-6-902-80 шифр "Хлопок").

Цель работы - механико-технологическое обоснование нового принципа бесконтактного газодинамического ударно-волнового импульса силы в качестве обрабатывающего воздействия на почву и растения, исследование взаимосвязи параметров газовой детонации с конструктивными характеристиками обрабатывающих механизмов и создание образцов таких механизмов.

Для достижения намеченной цели необходимо было решить следующие задачи:

- теоретически обосновать процесс бесконтактного воздействия рабочих органов на почву на основе ударно-волнового воздействия;

- экспериментально обосновать бесконтактное воздействие рабочих органов на почву;

- разработать теорию воздействия ударной волны на материал и методы определения параметров рабочих органов машин для бесконтактного разрушения почвы;

- изучить последствия воздействия ударных (детонационных) волн на почву, ее бактериальный состав, на развитие растения

с целью определения допустимости воздействия ударно-волнового импульса на микрофлору и растения;

- исследовать процесс рыхления почвенной корки детонационным импульсом, установить связь между параметрами микро взрыва и конструктивными характеристиками рыхлительных систем и агрегатов;

- создать опытные образцы почвообрабатывающих машин и испытать их в натурных условиях;

- 'исследовать и определить сферу применения взрывного принципа в операциях предпосевной обработки семян, возделывания хлопчатника, уборки, бурения шпуров для промывки засоленных почв и 4

осушения заболоченных .участков, .умерщвления куколок тутового шелкопряда;

- разработать рекомендации по внедрению принципа бесконтактного рыхления почвы в сельском хозяйстве.

Научную новизну представляют:

1. Способ бесконтактной обработки почвы на основе применения детонационной волны, воздействующей на обрабатываемый материал.

2. Математическое описание механизма разрушения почвенной корки под действием детонационной волны и выявление трех стадий протекания процесса, сверхзвукового характера движения зоны разрушения, зависимости размеров зоны разрушения от параметров детонационной волны, толщины корки, воздушного зазора.

3. Методика расчета технологических параметров и режимов работы газодинамического почвообрабатывающего агрегата.

4. Аналитическая зависимость величины силовых импульсов

от конструктивных параметров детонационного генератора (диаметра камеры и ее длины, расстояния от объекта воздействия-).

5. Методика изучения влияния ударных волн на изменение биологических, химических и агротехнических показателей почвы и растения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты подтверждены натурными испытаниями (в течение трех сезонов) возможности использования в качестве силового воздействия на почву, семена, растения и т.д. газодинамического ударно-волнового импульса.

Результаты исследования использованы при создании навесных машин ГДРП-3 производительностью до 2 га/ч для рыхления почвенной корки толщиной до 40 мм, серийное производство которых начато на Ферганском и Куштымском механических заводах.

Их применение обеспечивает увеличение всхожести семян хлопчатника до 15$ и уменьшение срока полной всхожести на 2-3 дня; ускоренное развитие хлопчатника на всех фазах и сокращение общего срока созревания на 10-14 дней; повышение урожайности в среднем на 10%.

По результатам исследований созданы машины для хлопкоуборки, предпосевной обработки семян и умерщвления куколок тутового шелкопряда. Данные результаты явились основой для включения раз-

работанных принципов в план внедрения новых технологий Ферганского облагропрома и в план научных направлений Академии сельскохозяйственных наук Узбекистана.

Новизна конструктивных решений указанных устройств подтверждена шестью авторскими свидетельствами (заявки № 4654831/ 15-8498 от 12.01.69, К 4692188/30-15 рт 3()Л0.Ш, К 4844288/15 от 16.01.91, № 4877938/12 (085010) от 17.04.91, № 5041435 от 16.03".92, № 5059676 от 21.05.92).

Агрегат ГДРП прошел две стадии международного патентования. Приоритетный номер международной заявки РСГ/ЬУ 91/00003 от 07.05.92 и заявка № 32270 от 15.07.92 ' (Аргентина). Кроме того, указанный агрегат экспониррвался на международной выставке новых машин в Греции в конце 1992 г.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на совместном совещании специалистов Министерства машиностроения СССР, Министерства народного образования УзССР, Госагропрома УзССР,Совета Министров УзССР (1988 г., г. Ташкент); выездной комиссии специалистов облагропрома по результатам работ в 1989 г. (г. Алты-Арык); выездной комиссии специалистов Рсепублики по результатам работ 1989 г. (1989 г.,.г. Алты-Арык); республиканском НГС об испытаниях сельскохозяйственного газодинамического рыхлителя почвы (РДРЛ-З) в 1991 г. (г. Алты-Арык); конференции Ферганского политехнического института (1991 г., г. Фергана); техническом совете секции растениеводства и механизации Министерства сельского хозяйства ТССР (1991 г., г. Ашхабад); совместном совещании представителей министерства сельского хозяйства Таджикской ССР и Таджикской государственной зональной МИС (1991 г., г. Душанбе); конференции в САИМЭ (1992 г., г. Янгиюль); совещании на тему "Загрязнение почв и пути его предотвращения" в Институте почвоведения АН УР (1992 г., г. Ташкент); заседании совета Ферганского политехнического института с приглашением ученых из других организаций (1992 г., 1г. Фергана).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 25 научных статьях, книгах и методических разработках.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка литературы из 84 наименований, в том числе 21 на иностранных языках, и приложения. Материал изложен на 326 страницах машинописного текста, в т.ч. иллюстри-6

рован 45 таблицами и 192рисунками.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Концепция применения импульса силы детонационной волны для рыхления почвенной корки в регионах с жарким климатом.

2. Механизм образования почвенной корки, трехстадийная модель разрушения, сверхзвуковой характер движения зоны разрушения корки, зависимость зоны разрушения от параметров детонационной волны, толщины корки, воздушного зазора между коркой и подкорковым слоем почвы.

3. Соотношения скорости движения почвообрабатывающего устройства и частоты циклов детонационного генератора, длины детонационной трубы и ее диаметра. Принцип регулирования величины силового воздействия на корку.

4. Оптимальные периоды ударно-волновой обработки посевов, хлопчатника: до всходов и сразу после массовых всходов.

5. Расширение сферы применения детонационных волн в хлопкоуборке, передпосевной обработке семян., дренаже заболоченных

и промывке засоленных почв, умерщвлении куколок тутового шёлко-пряда.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, кратко представлены полученные научные результаты.

В первой главе "Обзор и постановка задачи" на основе литературных данных кратко изложены основные положения существующих способов и технологии рыхления- почвенной корки. Все существующие методы механизированного разрушения почвенной корки предполагают непосредственный контакт инструмента с почвой и при функционировании создают сдвиговые напряжения в разрушаемом слое. Сдвиг слоя почвы - причина повреждения посевов при обработке.

Механизированным способом раррушейия почвенной корки занимались ученые Г.К. Меерсон, А.И. Каспаров, И.Э. Рабинович, С.Н. Рыжов, П.П. Языков, К.П. Паганяс, М. Мухамедаанов, А. За-киров, В.А. Сергиенко, А.П. Спирин, Ф.М. Соловей, А.Х. Ходжиев, М. Мурадов, Р.И. Байметов, И. Мамадканов, М.А. Ахмаджанов.

Предложено в отличие от механического воздействия разрушать почвенную корку ударно-волновым импульсом силы, направленным по нормали к поверхности без сдвиговых составляющих; ударно-волно-

вое воздействие осуществлять импульсом силы от детонации топ-ливно-воздушных смесей в трубах.

В работе изучено состояние современной теории газовой детонации.

За основу физико-математического описания процесса детонации газовых смесей в трубах взята модель "Зельдовича-Дёринга, Неймана". Конечные выражения для расчета параметров.детонации приняты в следующем виде:

уг. = _£м. Р0

к

Рги - г(к-0р,в>

В-Ц= ^(К'-ПЗ ; гк ц гк

Тг * к+

л

Су

ио К+1

.-2 (К -•()

(I)

на-Ьуге; ро ,р% „ й^уге; К* Ср /С„

ции при постоянных давлении Ср и объеме Су

где I/в , 1ГгЖ - удельные объемы исходной смеси и в точке Чепме-- плотность исходной смеси и в точке Чепме-■ соотношение теплоемкости продуктов детона-

Рг „ - давление в точке Чеямена-Жуге; 0 - количество тепла, выделяемое при сгорании единицы массы смеси; П , Ц„ , П.-, - скорости ударной

Т" «г

волны, исходной смеси и в точке Чепмена-Жуге; , Т - температура в точке Чепмена-йуге и в продуктах детонации. '

Для изучения воздействия детонации на почвенную корку важно знать параметры детонационной волны в атмосфере за открытым концом трубы. С этой целью рассмотрено движение ударной волны, сжатого воздуха за ударной волной и продуктов сгорания после среза детонационной трубы (рис. I).

Задача состоит в том, чтобы, задавшись любым расстоянием X , вычислить:

а) скорость ударной волны П - (зная Б , по справочный таб-

ныи разрый

Рис. I. Схема процесса за срезом детонационной трубы: X - расстояние ударной волны от открытого торца трубы до преграды

лицам можно определить все остальные параметры ударной волны -

р ,р , Т);

б) максимальные давление, скорость, плотность и температуру воздуха сзади ударной волны; Р||П , Ц|т, р|т> Т|т

в) давление, скорость, плотность и температуру воздуха на контактном разрыве; Р

г) давление, скор! Ы.

<р ) ^кр ) Р«р) Т,р

ость, плотность и

температуру продуктов

сгорания; гпе, иЖ) рп6, Тм

д) расстояние Хпепередней границы продуктов сгорания от среза трубы ( Х-ХПС = ДЛ- отставание продуктов сгорания от ударной волны).

Экспериментально получена зависимость М = И/С, 0тх=х/сI для детонационной трубы диаметром с( длиной Ь , где С - скорость звука в воздухе.

Согласно исследованиям затухания ударной волны, созданной распадом детонационной волны при выходе ее в атмосферу, существует закономерность подобия затухания по диаметрам трубы при одной и той же длине.

Таким образом, имея экспериментальную зависимость М(л) (рис. 2), можно определить величину М и для труб любых других диаметров той же длины 1* .

При известном значении М ударной волны в воздухе параметры воздуха сзади ударной волной определяются по зависимостям:

р .р . гР.Дг )

|т но к-И I Б1 / М*7,

2Мг

при зтом

(2)

М,й„

1

V . / М

\

> ч

Рис. 2. Распад детонационной волны при

выходе ее в атмосфера

<2

<6 л

и|т к+1 V Б1 у V м1 1 >

гм

1ГП I.

(3)

8

Р>т "Р.

2

Р. "

кн 1

Л

"I1 л1)

_2_ гмгч

к+ 1 1 мг

-I

"? 1т

<Р

Ро"(Ро/ "•» I, К(КЙ) М1 ) '

к-1

к-1

Т /Р х к Т -58- =1

Ч "Т.

2М (И1-О

к'(к+0 м1

(4)

(5)

(6)

гДе Р0 > Ро " исходные параметры воздуха впереди ударной волны. 10

Расчет процесса течения между открытым концом трубы и поверхностью земли дает наглядное представление о характерных зонах течения, геометрии и общем времени процесса. Для достоверности, а также для удобства назначения исходных данных по нагрузке на корку от действия детонационной трубы были проведены эксперименты по следующей схеме.

В трубе длиной L , диаметром -d происходит детонация топли-вовоздушной смеси. Из открытого конца трубы, находящегося на расстоянии I от поверхности земли,выходит ударная волна и поток продуктов детонации. Волна и поток на пути к поверхности земли расширяются и воздействуют на землю в области "пятна" диаметром d„. Для определенного диаметра а и разных длин L проведены замеры силы воздействия на разных расстояниях I .

Замер проводился специальным устройством, в котором сила воспринималась пластиной, опирающейся на газовую (воздушную) подушку. По замерам изменения давления газовой подушки вычисляли действующую силу F(0b зависимости от времени.

По полученным данным была построена кривая, аппроксимируемая следующей зависимостью: . -at

F(0-ASe , (?)

где А = 35(<-13t) - зависимость, отражающая уменьшение силы воздействия с увеличением I (35 - число, отражающее давление в ударной волне и скорость продуктов детонации за волной); S - площадь "пятна"; t - время, от 0 до t =3,5 ; tK- время процесса; скорость звука в продуктах детонации топливо-воздушной смеси; Q.- показатель степени, определен по экспериментальным функциям F(t) и выражает зависимость F(t) от длины трубы L .

Самым характерным признаком поведения силы, действующей на поверхность от детонационного источника, является кратковремен ность (удар), что послужило основной причиной выбора такого типа воздействия на корку для ее разрушения.

Во второй главе "Теоретическое исследование механизма разрушения почвенной корки бесконтактным способом" приведено теоретическое исследование механизма разрушения почвенной корки от действия взрывной нагрузки при расположении корки относительно почвы без зазора (рис. 3, а) и с зазором (рис. 3, б).

Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений механики сплошной среды, выражающих закономерности равновесия, сохранения массы, энергии и состояния среды:

II

Рис. 3. Расчетная схема разрушения почвенной корки I. Уравнения движения:

Э(5«-Р) , Э5«* , 5

|Х -

_

Эх т ЭЦ т У '

^ Э5ха ^(Заа-Р) 5^-5« Р9 = Эх 9у у

(8)

где р - текущая плотность вещества; +• Р - девиа-

торы тензора напряжений; - касательные напряжения;

+ + ^ " главные напря-

жения.

2. Уравнение сохранения массы: V. _ + + 1.

V ~ дх Эу ^ ' (9)

где Vе 1/р -удельный объем.

3. Уравнение энергии, представляющее удельную внутреннюю энергию тела как работу напряжений (внутренних сил сопротивления) на перемещениях, вызванных деформациями; математически записывается как сумма удельной энергии изменения объема (работа давления или компонент шарового тензора напряжения) и удельной энергии формоизменения (работа компонент девиатора напряжений ):

+ (10)

где - искусственная вязкость, используется в процессе расчета, для сглаживания численного решения; £ ^ - компонента тензора деформаций. 12 !

Скорость деформаций ¿¿у равна:

6» Зх ' зу в0 У ' Зх 3Ч

В работе механическое поведение корки до разрушения моделировалось упругой средой; тип разрушения - хрупкий, беспластической стадии; после разрушения корка моделировалась сыпучей средой.

а) Для упругой стадии:

- компоненты девиатора тензора напряжений выражались через компоненты скоростей деформаций по закону Гука

¿ввя8/^и"3 7) ;

(II)

/ Г3и дх N

где ^ - модуль сдвига; ^ ~ Тй ) ~ П0ПРавка к

напряжениям; ^ ®

- давление описывается баротропным уравнением по модели уплотняющегося сыпучего вещества, предложенной С.С. Григоряном. Эта модель позволяет описать необратимые изменения объема почвенной корки, т.е. уплотнение среда в цикле "нагрузка-разгрузка".

В параметры модели вводится также максимальное значение плотности:

иЛр)-с!(р-р.)|# если |><р„,

*м»гр(р) еслир

(12)

*;

где С, , С1 - параметры, соответствующие скоростям звука для волн сжатия и разгрузки.

б) Условие хрупкого разрушения использовано в виде критерия II.П. Баландина, в котором мерой прочности выбрана величина энер-

13

гии формоизменения, предельное значение которой зависит ,от давления Р • ~ б0

В пространстве главных напряжений поверхность нагружения описывается параболлоидом вращения, ось которого, определяемая правлением б(| = } пересекает параболлоид в одной точке, соответствующей величине предельного напряжения при всестороннем разрушении.

Физический смысл критерия'заключается в учете разных пределов прочности материала при растяжении и сжатии. Два независимых параметра критерия - пределы прочности при одаоосном растяжении и сжатии ( Ср, ) - введены в математическую запись критерия:

+ « Бр(13)

в) Состояние корки после-разрушения описывалось упруго-пластической моделью сыпучей среды, предложенной С.С. Григоряном, пластическое течение^среды - условней текучести в форме Мизеса-Шлейхера в рамках теории Ирандтля-Рейсса:

-*р , (14)

где Т - интенсивность касательных напряжений; •

второй инвариант девиатора напряжений; Йр- назначаемый параметр.

Поведение подкорковой почвы моделировалось упруго-пластической сыпучей средой, аналогично состоянию корки после разрушения, т.е. описывался только переход упругой стадии в пластическую.

Постановочная процедура решения задачи использовалась как инструмент для численного анализа состояния корки и почвы в различных вариантах нагружения (по геометрии и интенсивности нагрузки).

В расчетном комплексе использован численный метод, основанный на естественной аппроксимации частных производных для 4-угольной сетки. Узлы связаны жестко с элементами среда и перемещениями на траектории чартиц. Внекинематические величины определяются в узлах сетки, физическиев условных центрах ячеек сетки;"

Для интегрирования уравнений по времени используется явная схема типа "крест" - значение скоростей определяются на получае- , мых временных шагах, остальные параметры - на целых. Шаг по времени выбирается на основании критерия Куранта.

В результате расчетов подучена картина разрушения почвенной корки (рис. 4). 14

40 М У, мм

пинии!....... щ

го

50-

ад

Х,им.

7

У

Рис. 4. Изобары давления по толщине корки и в подкорковой почве в момент времени 900,34 мкс: 0,10 бар - зона разрушения корки; К = 20 мм; Рмах =25,5 бар; г = 25 мм; 6 = 0

В результате систематизации расчетных исследований определены характерные стадии процесса: рост зоны разрушения максимален на первых 300 мкс, затем замедляется и.ко времени порядка 900 мкс (по всем расчетам) останавливается. Радиус зоны микротрепин равен 60 мм.

Анализ распределения изобар по толщине корки во времени показывает, что вблизи центра действия нагрузки волны давление в течение некоторого времени распространяется со сверхзвуковой скоростью, что свидетельствует о чисто ударном воздействии.

В третьей главе "Экспериментальное исследование разрушения почвенной корки в стендовых условиях" установлено, что основными факторами образования почвенной корки является интенсивность вывода поровой воды из почвы, солнечная радиация, которая не обеспечивает выравнивания давления в порах с атмосферным и давление в порах понижается. Следствием этого является всестороннее сжатие атмосферным давлением высыхающего элемента почвы. Частицы почвы начинают сближаться и приходить в непосредственное соприкосновение друг с другом. Между ними возникают силы молекулярного притяжения (силы Вандерваальса), наступает 1-я стадия сцепления частиц. Силы сцепления начинают образовывать связную структуру почвы, сопротивление такой структуры сдвигу, растяжение начинают увеличиваться. Происходит усадка почвы.

При продолжении сжатия почвы вследствие разницы атмосферного

давления и давления в освобождающихся порах наступает процесс цементации - дальнейшего упрочнения. На этой стадии вступают в действие другие силы (в дополнение к силам Вандерваальса) -силы физикохимической природы, которые возникают при взаимодействии ионов поровой воды, связной воды, электрического поля частиц почвы.

В экспериментах скорость вывода поровой воды в процессе образования корки была приближена к естественной скорости путем просушки образцов увлажненной почвы в специальных ящиках с прозрачной стенкой непосредственно в поле при естественной солнечной радиации.

Разрушение почвенной корки осуществляли импульсными ударными волнами с регистрацией параметров процесса на фотопленке при освещении исследуемого объекта лазерным излучением. Исследования проводили на специально созданном стенде по схеме с присоединенным газоводом на бензовоздушных смесях.

Рис. 5. Лазерная кинограмма распространения ударной волны при 0 (а), 10 (б) и 20 мкс (в)

Процесс распространения ударной волны в атмосфере от выходного насадка до поверхности корки показан на рис. 5: ударная волна, как зона с повышенной плотностью воздуха, фиксируется на кадре темной сплошной линией сферической формы. Распространяясь, волна занимает все больший сферический объем и ее скорость и интенсивность падают. Дойдя до поверхности корки, волна отражается и начинает двигаться в обратном направлении.

В момент отражения волна передает импульс силы поверхности корки.

Эксперименты по синхронной киносъемке двумя камерами распространения ударной волны и процесса разрушения почвенной корки йоказали, что видимое на кинокадрах разрушение корки происходит через 1-1,5 млс после удара волны на поверхности. Дефор-16- •

мации и трещины появляются в диапазоне 340-400 мкс.

Анализ динамики разрушения почвенной корки показывает, что существуют три основных стадии процесса при действии газодинамической нагрузки на поверхность корки:

а) первая - отсутствие деформации корки и образования видимых трещин в начале действия нагрузки. Время этой стадии - порядка 350 мкс;

б) вторая - появление значительной деформации корки и образование треишн размером до I мм, причем корка прогибается, как пластинка. Время этой стадии - 350 - 600 мкс;

в) третья - деление корки на отдельные фрагменты (600-1000 мкс).

Сравнение опытных данных по распространению волн в атмосфере

между трубой и коркой с расчетными (рис. 6) показывает удовлетворительное совпадение.

Рис.6. Сравнение

расчетных (-) и

экспериментальных

(---) данных по

скорости распространения волн за срезом детонационной трубы

Отставание продуктов детонации от ударней волны невелико -порядка 5 мм в момент подхода волны к поверхности корки. Это расстояние поток проходит за 5.10~ь с, т.е. и ударная волна, и поток продуктов детонации практически одновременно ударяют по корке.

В четвертой главе "Разработка конструкции газодинамического рыхлителя почвенной корки (ГДРИ)" излагаются результаты разработки данной конструкции, выбор концепции системы подготовки детона-ционно способной смеси; принцип регулировки выходных параметров рабочего процесса.

Поиск необходимых технических решений по конструкции рыхлителя проводился экспериментально-теоретическим путем. Исследовались главные параметры реального детонационного процесса: время, скорости движения волн и продуктов детонации, тепловые режимы конструкций и т.д.

В качестве примера на рис. 7 представлены графические зависимости нарастания скорости фронта пламени в детонационных ка-

М,и

5

3 2

0,5

1,0

1.5

2,0

Рис.7. Изменение скорости фронта пламени по длине ДКС для различных ее конструкций: I гладкая труба, 2 -труба с удлиненной ДКС, 3 - гладкая труба с внутренней шероховатостью, 4 - труба с уменьшенным диаметром ДКС, 5 - труба с двумя расширителями, 6 - труба с увеличенным диаметром ДКС, 7 - труба с одним расширителем ■

мерах сгорания (ДКС) различных конструкций. Скорости определяли базовым методом с использованием пьезодатчиков ЛХ-608. В гладкой трубе (вариант I) при значительных длинах детонация-не возникает вообще, а в трубах с увеличенным гидросопротивлением (внезапные сужение и расширение поперечного сечения потока) детонация возникает на сравнительно небольших расстояниях от места инициирования. Труба такой формы (вариант 7) и была введена в дальнейшем в конструкцию агрегата.

Для обеспечения циклического режима работы детонационной трубы в зе конструкцию введен узел с теплопоглощающими элементами (ТПЭ). Узел располагается после обратного клапана и перед зоной инициирования. ТПЭ выбраны так, чтобы на рабочем такте цикла продукты детонации охлаждались до уровня ниже температуры воспламенения горючей смеси, а на такте впуска запасенное в ТПЭ тепло передавалось свежей газовой смеси. На рис. 8 показан результат части экспериментальных исследований по выбору толщины (даа-метра) ТПЭ. Видно, что, начиная с диаметра 0,35 мм, возможно повышение температуры продуктов детонации выше 150°С. Экспериментом подтверждено, что диаметр ТПЭ должен быть порядка 0,1 мм.

Результаты, полученные в главах 1,2 и 3, дают возможность определись проектные параметры составных частей газодинамического рыхлителя. Диаметр зоны разрушения ( ctj.p ) для детонационной трубы диаметром 25 мм составляет 120 мм. Ib

^ f, Гц

Рис.8. Зависимость изменения температуры охлаждаемых продуктов детонации от параметров ТПЭ и частоты инициирования: V - =0,06 мм,П- =0,15 мм, О - -0,35 мм; сплошные линии соответствуют массе ТПЭ - 50 г, пунктирные -30 г

При работе трактора Т28Х4 на второй скорости (4,2 км/ч или 1,2 м/с) частота ударов должна быть:

Зона разрушения 120 мм достигается при .длине детонационной трубы 3 м (экспериментальные данные).

Для четырехрядной обработки за один проход необходимо 6 детонационных труб.

В качестве горючего используются низкооктановые сорта бензина.

По результатам термодинамических расчетов стехиометричес-кое соотношение расходов воздуха ¿ь и горючего Gr для бензо-воздушных смесей составляет:

26 = ТГ *0,067 (16>

Исходя из этого, проектируется система подачи горючего, обеспечивающая расход горючего:

Gr = £'Ge = *

Рс

*8Т8

W»

(17)

где Ра - атмосферное давление; термодинамическая постоянная; Тв - температура воздуха; секундный расход воздуха.

В соответствии с закономерностями гидравлики выбрана, площадь жиклёра $ на линии горючего:

, *Ра ^

1ж" Я Тг.. (18)

н

где - коэффициент расхода; _ £ - отношение

площади струи к площади жиклёра; - коэффициент ско-

рости, учитывающий влияние сил трения при течении реальных жидкостей; Н - гидравлический напор; ^ - коэффициент сопротивления; - удельный вес горючего.

На основании полученных связей между параметрами детонационного* генератора ( | , 6в , 6Г ) и параметрами обработки почвенной корки (число обрабатываемых рядков за один проход, скорость трактора) разработана принципиальная схема газодинамического ряхлителя с составом основных узлов (рис. 9).

Рис. 9. Принципиальная схема генератора:

I - предкамера, 2 - клапанная решетка, 3 - источник зажигания, 4 - турбулизатор, 5 - детонационная труба, 6 -прибор контроля режима работы генератора, 7 - насадок

Работа генератора происходит следующим образом. Детонацион-но-способная смесь воздуха и горючего поступает в предкамеру I (по стрелке А). Клапанная решетка пропускает смесь в камеру, турбулизатор 4, трубу 5 и насадок 7. При заполнении всего генератора смесью система управления.вырабатывает сигнал, и источник зажигания 3 генерирует электрический разряд. Смесь воспламеняется, в камере I повышается давление и клапана решетки 2 закрываются, останавливая поступление смеси. Пламя распространяется к турбулизатору 4 и после его прохождения переходит в детонацию. Детонационная волна, проходя в зоне прибора контроля 6, вырабатывает сигнал. Если детонация не осуществляется, сигнал не вырабатывается. Далее детонационная волна проходит в насадок 7, который направляет ее по нормали к почвенной корке. После истечения продуктов детонации в атмосферу давление в предкамере I падает, клапана 2 открываются и смесь вновь заполняет 20

генератор.

Система управления и контроля состоит из электронных систем выработки электроискрового разряда с необходимой частотой и выработки сигнала прохождения детонационной волны в зоне насадка.

Вопрос о выборе горючего для ГДРП имеет несколько принципиальных моментов, а именно: горючее в смеси с воздухом должно сгорать в детонационном режиме; термодинамические свойства горючего в смеси с воздухом должны обеспечивать максимальную силу удара; горючее должно быть такое, какое используется в сельском хозяйстве.

Очевидно, что такое горючее как ацетилен, наилучшим образом удовлетворяющее первым двум требованиям,в сельском хозяйстве использовано быть не может, так как не имеет заправочной базы и опыта применения.

Проведен анализ углеводородных горючих с точки зрения их детонационной способности в смеси с воздухом, сравнительного энергетического уровня и эксплуатационных свойств. Показано, что всему комплексу требований удовлетворяют только низкооктановые сорта бензина и природный газ (рис. 10, II).

Экспериментально доказано, что главным выходным параметром устройства для разрушения почвенной корки является импульс, действующий на нее силы.

С учетом этих результатов разработана конструкция газодинамического рыхлителя почвенной корки ГДРП-3 (рис. 12).

В,м/с

Ш

1600

Й00

Рис. 10. Скорость детонации в функции состава углеводородно-воэдушных смесей: I - этан, 2 - пропан, 3 - бутан, 4 - этилен, 5 - пропилен, б - бензин

У / Л /уг > ч чГЧ

/ 3 А - / Ь / \

О 2 А 6 8 10 12 И %

В, ^/с 1800

<600 1400

ч 1 л

О 0/1 0,

0,8 (,0 1,2 \М 1,6 аС]

Рис. II. Функция

- пропан, Z - бутан, 3 - этилен, 4 - пропилен,

- бензин;

_ концентрация стехометрической смеси концентрация горючего в данной смеси

Рис.12. Принципиальная схема рыхлителя: I - компрессор, 2 -конфизор, 3 - жиклер, 4 - конус-рассекатель, 5 - основной бензобак, 6 - медная трубка, 7 - обратный клапан, 8 - расходный бензобак; 9, 10, 14 -трубки; II, 17- клапаны; 12 -механический бензокран, 13 -накопитель, 15 - дроссельная шайба, 16 - поплавок, 18 -система управления и контроля, 19 - свечи зажигания, 20 -камеры сгорания, 21 - труба

В пятой глайб "Полевые исследования ГДРП-" даны результаты полевых натурных исследований.

Для проведения исследований разработана методика, включающая поиск оптимальных режимов работы смесительйого узла, генераторов и рабочих насадков.

На основании разных вариантов экспериментальных исследований найдены оптимальные феаошы работы смесительных узлов серийных изделий, выработана рекомендация настройки оптимального режима. 22

Настройка должна осуществляться специальной иглой, регулирующей расход горючего через топливный жиклер. Также определено, что важнейшим критерием эффективности является максимальная скорость детонации смеси.

На основании экспериментального исследования разного вида насадков найдено, что оптимальное направление газодинамического удара - под углом об = 105° к поверхности корки. Регулирование силы удара - изменением расстояния рабочего органа от поверхности корки.

Для обработки пророщенного хлопка найдена форма защитного экрана, который конструктивно должен выполняться в составе рабочего насадка генератора.

В шестой главе "Агротехнические и биологические исследования газодинамического воздействия на почву и растения" описываются агротехнические и биологические исследования газодинамического воздействия на почву и растения.

Экспериментально определялись: плотность и толщина почвенной корки до обработки агрегатом ГДРП-З. Найдено, что в условиях хлопководства плотность корки ^аходится в пределах 2,12,4 г/см3, толщина ее 10-30 мм. А после обработки агрегатом плотность почвы составляет 1,1-1,2 г/см3.

Агрегатный состав почвенной корки после обработки агрегатом ГДРП-З изучали по методике НПО "Хлопок" и определяли размеры фракции (табл. I).

Таблица I

Агрегатный состав почвенной корки

Размер фракции, мм !1-5!5- 110- •!15- ■!20- •!25- -130- ■!35- •140- ■ Г 45-

! НО !1Ь !20 !2Ь !30 !ЗЬ ! 40 !4Ь !Ь0

Процентное содержа- 23 34 15 13 5 5 3 2 - -

ние

Опыты проводились в течение 3-х лет.

Выполненные экспериментальные исследования показывают, что фракции почвы размером от I до 30 мм составляет 95%. Это создает благоприятные условия для роста и развития хлопчатника и хорошо согласуется с агротехническими требованиями.

Для определения воздействия газодинамики на почву и растения была разработана методика, которая предусматривала исследования: развития хлопчатника от всходов до сбора урожая; биологических характеристик почвы, подвергающейся ударно-волновой

обработке в сравнении с почвой контрольного участка; химических изменений в почве, влияющих на развитие растений.

Общность схем всех исследований заключается в том, что опытное поле делится на три равных участка. Каждый из участков делится на получастки, обрабатываемые с помощью ГДРП на разных режимах и на разных стадиях развития хлопчатника. Для сравнения оставлялись контрольные участки без обработки ГДРП-3. На всех участках общая технология обработки хлопчатника не изменяется в сравнении с традиционной.

Выли проведены лабораторные исследования по предпосевной обработке семян ударными волнами от ГДРП. Обрабатывались семена кукурузы, хлопка и дкугары. "Облучение" ударными волнами от работающего ГДРП длилось от I до 3 минут. Обработанные таким образом семена и контрольные (необработанные) помещались для проращивания в чашки Петри.

Наблюдение показало, что развитие ростков всех трех культур, семена которых обработаны ударными волнами, проходило ускоренно (рис. 13). Размеры листьев и корней этих ростков значительно увеличены.

Воздействующая ударная волна схематично представляет собой движущуюся в воздухе плоскость повышенного давления. Давление в этой плоскости превышает атмосферное в 30-35 раз, толщина плоскости 1-2 мм, скорость движения порядка 1500 м/с.

При прохождении ударной волны семена испытывают кратковременное сжатие. Время сжатия I/I50000 с.

Результаты лабораторных опытов совпадали с ранее полученными результатами по обработке хлопчатника в поле перед его всходами таким же методом.

Таким образом, замеченная тенденция ускоренного развития обработанных ударными волнами семян послужила аргументом для 24

ШТГШ t.jo«*

Рис.13. Ростки кукурузы увлажненной, выращенные в чашках Петри (контрольный вариант, обработка ударными волнами в течение 30, 60 и 120 с)

закладки полевого эксперимента с высевом таких семян в поле.

На рис. 14 иллюстрируется сравнительное развитие корневой системы хлопчатника, взятого с поля.

Ежегодные учеты показали, что появление всходов на опытных и контрольных участках имеют устойчивую тенденцию ускорения всходов хлопчатника, обработанного ГДРП в периоды до всходов и после всходов

В табл. 2 приведены сообщения по анализу всходов хлопчатника.

По проведенным наблюдениям: повышается процент всхожести; начиная с некоторого периода, ускоряется процесс всхода хлопчатника, обработанного ГДРП.

Таблица 2

Данные по анализу всходов хлопчатника

Опыт по ' к°явлете всходов, % к полному числу всходов

методике ! 2 мая ! 5 мая ! 8 мая ! II мая! 15 мая!20 мая

Контрольный 17,7 32,3 45,5 60,0 72,3 73,3

участок

Обработка Г.ПРП 15,3 28,2 74,0 85,3 95,9 100,0 до всходов

В еле,сующий после всхода период наблюдалась динамика роста хлопчатника. Осредненные данные по большому количеству образцов показывают, что развитие корневой системы на всех опытных участках (см. рис. 14), обработанных ГДРП до всходов (В^) и после всходов (В3), значительно опережает развитие на контрольном участке.

Исследование корневой системы хлопчатника после созреьания (после сбора урожая) дает такие же результаты.

Был зафиксирован факт усиленного развития корневой системы хлопчатника в случае воздействия на почву и семена ударными'волнами.

)

В-1

В-2

в-з

Рис.14. Сравнение развития корневой системы хлопчатника: Вт -контроль; В^, В3 - обработка

ГДРП соответственно до всходов и после них

Из анализа результатов экспериментальных данных следует, что развитие хлопчатника после обработки посевов ударными волнами ГДРП во всех вариантах улучшается (табл. 3).

Таблица 3

Влияние обработки посевов ГДРП на урожайность хлопчатника (ц/га)

¡Повторность опыта на!Средняя!Прибавка т, • ■ участке . — .

Г ! I ! П 1 Ш ! ность ! ! ! !

Контрольный участок ^без обработки ГДРП), I 37,3 33,8 34,9 35,3 -

Обработка ГДРП до всходов, В^ 37,5 36,1 41,0 38,2 +2,9

Обработка ГДРП при массовых всходах, В3 38,2 37,6 37,9 37,9 +2,6

Обработка ГДРП на 41,3 32,1 35,3 36,3 +0,9

В4

Обработка ГДРП после 38,9 цветения, В^'

Средние величины

38,6

34,3 33,9 35,7 +0,4 34,8 36,6 36,7 +1,7

Следует отметить, что содержание грибов и актинодацетов в почве опытного варианта значительно уменьшилось. Этим можно объяснить, что при применении газодинамического рыхлителя почвы снижается количество фитопатогенных ("вредных") микроорганизмов.

Опыты показывают, что при усвоении микроорганизмами органического вещества почвой выделяется большое количество углекислоты и освобождается большое количество минеральных веществ, усвояемых растениями. Как показывают данные табл. 4,наибольшее количество 00% выделилось в почве из опытного участка - 277,5 кг/га, тогда как в контрольном - 202,5 кг/га.

Проведенные многолетние экспериментальные исследования показывают, что при применении ГДРП в почве увеличивается общая численность микроорганизмов и их- отдельных физиологических групп, повышается тарификационная способность и другие важные показатели почвы. Одновременно с этим в результате обработки 26

Таблица 4

Влияние обработки почвы установкой ГДРП на ее ферментативную активность

Ва-! Гори-ри-! зонт, ант! см ! 1

за, мг 1 1 мг \ ! !за в мг !глюкозы ! | !таза, ! мг ! ! ¡углекислоты в 'почве, ! нг/га

4,1 1,22 II 0,26 202,5

6,2 1,35 13 0,20 220,0

9,3 2,77 21 0,40 277,5

7,8 - 2,31 15 0,31 205,0

В

I

%

0-10 10-30

0-10 10-30

снижается численность "вредных" форм микроорганизмов (грибов, актиномицетов), вследствие чего повышается процесс обмена веществ в почве, а это способствует лучшему развитию растений и повышению урожайности.

Дальнейшие наблюдения за развитием растений показали, что на каждой фазе (появление симподиальных ветвей, начало цветения и т.д.) хлопчатник, обработанный ударными волнами, опережает по срокам развития хлопчатник контрольных участков. К моменту созревания это опережение достигает 10-14 дней.

Одним из направлений при разработке ГДРП были агробиологические и агрохимические исследования с целью выяснения воздействия ударных волн на живые микроорганизмы в почве, играющие решающую роль в ее плодородии. В этой связи был заложен эксперимент по выяснению воздействия ударной волны на бактериальное население почвы.

Исследования показали, что в результате обработки почвы установкой ГДРП в пахотном горизонте почвы увеличивается общее количество бактерий. Так, в 1989 г, (21.06.89 г.) в I г почвы до и через 30 мин. после обработки установкой ГДРП общее микробное числом слое почвы 0-10 см равнялось 3600, через сутки наблюдался сплошной рост мелких колоний микроорганизмов. Такой рост числа микрофлоры отмечался и в слое почвы 10-20 и 20-30 см. Такая же картина наблюдалась и в опытах, проведенных 18.07.89 г., 04.06.90 г,и 13.07.90 г. В контрольном (до обработки) варианте развитие микроорганизмов было несколько ниже, т.е. микрофлора почвы опытного варианта достигала 7,7-6,7 против 6,2-5,1 млн.

27

8

Таблица 5

Изменение биологической активности почвы, млн/1 гр почвы, после обработки установкой ГДРП (образцы взяты 13.07.90 г.;

Варианты отбора образцов

!Горизонт,! | см [

М П А

I

бактерии ¡'грибы

_!_Г а п е к а ! Сусло-

бактерии| грибы '^Лгр^

Участок I

До обработки 0-10 6,6 0,20 - 4,9^ 0,10 0,20 0,09

10-30 3,5 0,15 0,15 3,7 0,10 0,20 0,08

Сразу после обработки ГДРП 0-10 6,6 0,05 0,05 7,0 - 0,05 0,05

10-30 7,5 - 0,15 5,0 0,05 0,05 0,02

Через сутки после обработ- 0-10 5,0 0,05 - 5,1 0,05 - 0,03

ки ГДРП 10-30 5,7 - - 6,2 - - 0,02

Участок 2

До обработки 0-10 7 Д 0,1 0,25 6,0 0,35 0,35 0,04

10-30 6,3 0,2 0,05 5,4 0,35 0,20 0,06

Сразу после обработки ГДРП 0 -10 8,9 - 0,01 7,0 0,05 0,10 0,02

10-30 7,7 0,05 0,05 0,5 0,05 0,05 0,03

Через сутки после 0-10 5,5 - 0,05 6,4 - 0,05 0,03

обработки ГДРП 10-30 5,2 0,05 - 6,0 - - 0,02

Таблица 6

Сравнительная тарификационная способность почвы, мг/кг, с обработкой и без обработки ударными волнами

Варианты опыта (отбора)

Горизонт, см

Исходное содержание

! Накоплено за 15 суток М - М0}

! с водой [с Вовой!^Нц),0, |Са(НР0чЬ

Участок 2

До обработки 0-10 Нет 0,385 8,140 24,800 0,595

10-30 Нет 0,282 7,110 24,800 0,655

После обработки ГДРП 0-10 Нет 0,282 13,100 25,700 0,625

10-30 0,252 0,504 9,500 23,340 1,297

Через сутки после 0-10 0,302 1,500 9,040 29,640 1,634

обработки ГДРП 10-30 0,595 2,480 14,840 35,000 2,260

Участок I

До обработки 0-10 0,195 1,500 8,140 22,940 1,654

10-30 0,165 1,310 8,800 19,340 1,370

После обработки ГДРП 0-10 0,222 1,630 14,820 25,600 1,830

10-30 0,230 1,994 10,840 24,800 1,370

Через сутки после 0-10 0,342 1,504 9,140 24,640 2,134

обработки ГДРП 10-30 0,322 1,630 8,800 25,940 1,370

СО"

о

Влияние обработки почвы устройством ГДРП на физиологические группы микроорганизмов, млн/1гр почвы

Таблица ?

! Гори-

Варианты отбора образцов ! зонт,

! см

I

1 'Физиологические группы организмов

!масляно-!декитри- ¡аммоний- !нитрифи-!азото- 'аэробно-I кислые !фикаторы ¡фикаторы !каторы ¡бактер. ¡целлюлозн.

До обработки

С^азу после обработки

Через сутки после обработки ГДРП

До обработки

С^азу после обработки

Через сутки после обработки ГДРП

Участок 2

0-10 ю4 ю6 юб ю3 ю4 ю3

10-30 ю5 юб ю7 ю4 ю4 ю3

0-10 ю5 ю5 ю5 ю6 ю5

10-30 ю6 ю4 юб ю5 ю5 ю4

0-10 ю6 ю5 ю7 ю5 ю5 ю4

Участок I

0-10 Юб ю5 ю5 ю4 ю5 ю4

10-30 ХО6 ю6 ю6 ю4 ю4 ю4

0-10 Юб юб ю8 ю5 юб ю3

10-30 Ю7 юб Ю7- ю6 ю5 ю5

0-10 Ю7 ю4 ю5 ю5 юб ю5

в I г сухой почвы контрольного варианта (см. табл. 5-7).

В седьмой главе "Некоторые пути дальнейшего развития газодинамического принципа в сельскохозяйственной технологии" приведены результаты исследования, расширяющие сферу применения детонационной волны, а именно: для предпосевной обработки семян, хлопкоуборки, дренажа, в технологии коконов.

Бесконтактный принцип передачи импульса силы к какому-либо объекту открывает возможность применения детонационной волны для создания устройства сбора хлопка.

Кратко излагаются первые результаты исследования применения детонационной волны в качестве источника силы для освобождения хлопкового волокна из коробочки с дальнейшей его транспортировкой в бункер.

Скорость ударной волны у торца трубы равна 1500-1800 м/с, продуктов детонации - 800 м/с. Время действия струи равно примерно 0,002 с, т.е. действие ударного типа.

Полевые испытания агрегата проводились при следующей настройке рабочей камеры (рис. 15): общая частота 32 Гц (частота каждого ГДВ при этом составила 4 Г^), угол поворота выходных насадков = 60°, ширина рабочей камеры 0.= 300 мм, расстояние от среза выходного насадка до хлопкового стебля I = 135 мм.

Полевые испытания хлопкоуборочного агрегата, которые проводились при скорости движения комбайна по полю 3,6 км/ч (I м/с),показали, принципиальную работоспособность и перспективность газодинамического метода уборки хлопка.

В работе были проведены пробные исследования возможности применения генератора детонационных волн еще для двух задач, а именно: для образования шпуров на засоленных участках с целью их последующей промывки и для умерщвления куколок тутового шелкопряда. Исследования носят начальный характер.

Детонационная труба, направленная открытым концом к почве и перемещаемая в вертикальном направлении, производит бурение цилиндрической скважины диаметром 2d 1рубы. Скорость бурения по экспериментальным данным равна ~ 1,5 м/мин (рис. 16). gj

Рис.15.

Схема рабочей камеры

Эксперименты, проведенные в поле совхоза "Пахта-кор" Алтыарыкского района Ферганской области, показали устойчивость бурения на глубину до 3 м и образование боковых трещин от стенок скважины.

Навесное оборудование ГДРП-З позволяет бурить 8 шпуров глубиной 3 м за 2 мин машинного времени. Затраты времени на I га -0,5 ч. После бурения -шпуров поле должно промываться.

ГДВ был применен для умерщвления куколок шелкопряда. В качестве рабочей среды, в которую на 1/3 мин помещаются коконы, используется акустическое поле, создаваемое импульсным генератором детонационных волн (ГДВ) с частотой 1-20 Гц и скоростью ударной волны 1500-1800 м/с. При этом коконы располагают у источника ударных волн на расстоянии 0,5-0,7 ы от источника ударных волн (рис. 17).

Образующаяся в ГДВ детонационная волна при выходе из него распадается на ударную волну, движущуюся по воздуху, и контактный взрыв, движущийся за ней. Ударная волна УВ проникает через оболочку кокона и умерщвляет находящуюся в нем куколку.

В восьмой главе 'Тасчет экономической эффективности от применения агрегата ГДРП-З" приведены экономические результаты от выполненных работ. Экономический эффект получен вследствие сокращения сроков созревания хлопчатника, повышения сортности, увеличения урожайности и снижения потерь.

Годовой экономический эффект от применения агрегата ГДРП-З составил 543,2 руб/га (относительно цен 1990 г.К

Внедрение агрегатов на полях хлопководства может обеспечить получение эффекта до 434,5 млн.руб. в год. 32

Рис.16. Схема бурения цилиндрической скважины: I - детонационная труба, 2 - скважина, 3 - почва

Рис. 17. Схема установки для умерщвления куколок шелкопряда: I - блок управления, 2 -системы инициирования, 3 - свечи, 4 - источник смеси, 5 -турбулизаторы, б - разгонные трубы, 7 - металлический, кожух, 8 - конвейер

Кроме того, применение агрегата ГДРП-З позволяет уменьшить количество однолетних сорняков на 50%.

Прямые затраты по борьбе с сорняками примерно такие же, но созревание хлопчатника быстрее, что увеличивает сортность.

Существенную пользу агрегат ГДРП-З может принести при освоении неплодородных земель "аэродромов". Широко известно явление образования арзыковьк солонцовых слоев. Прочный слой не пропускает воду ни сверху вниз, ни снизу вверх. Возникает забо-лочивание, засоление, исключается развитие корневой системы вглубь. Применение агрегата ГДРП-З дня бурения шпуров делает почву плодородной, что имеет большое социальное значение для густонаселенных районов Ферганской и других областей. По данным статистики Ферганского агропрома, площадь таких "аэродромов" составляет более 10 тыс.га.

ОБЩИЕ вывода

В результате исследования разрушения почвенной корки в регионах с жарким климатом разработаны механико-технологические основы и новый принцип бесконтактного взаимодействия рабочих органов с обрабатывавши материалом - взрывное (газовая детонация в трубах) воздействие на почву и растения, позволяющие прилагать усилие к объекту обработки в строгом соответствии с заданным направлением без бокового сдвига почвы, повреждающего растения в грядах.

1. Разработана математическая модель нагружения почвенной корки имдульсом детонационной волны и модель напряженно-деформированного и прочностного состояния корки в условиях ударно-волнового нагружения.

Модель нагружения основана на гидродинамической теории газовой детонации ЗДН (модель Зельдовича-Деринга-Неймана). Напряженно-деформированное состояние и прочность почвенной корки описываются дифференциальными уравнениями механики сплошной среда для осееимметричного случая в координатах Лагранжа. Механическое поведение корки до разрушения моделируется упругой средой с последующим хрупким разрушением (минуя пластическую стадию), а после разрушения - сыпучей средой.

2. Для определения характера разрушения почвенной корки необходимо использовать условие хрупкого разрушения в виде критерия ПЛ. Баландина (по предельной энергии формоизменения).

Выявлены механизмы образования и разрушения почвенной корки в динамическом режиме. Показано, что при воздействии ударной волны в почвенной корке происходит образование сверхзвуковых волн и, как следствие, появление микротрещин при минимальной деформации корки. Процесс разрушения систематизирован по стадиям:

I стадия - отсутствие деформации корки и образования видимых трещин в начале действия нагрузки, ;время этой стадии - порядка 350 мкс;

П стадия - появление значительной деформации (прогиба) корки и образование трешин размером до.1 мм, причем корка прогибается как пластинка, время действия этой стадаи - 350-600 мкс,

Ш стадия - деление корки на отдельные фрагменты (6001000 мкс).

Процесс разрушения корки на фрагменты происходит за время,

равное 0,001 с, поэтому его можно охарактеризовать как динамический.

3. Импульс силы, необходимый для, разрушения почвенной кор-йи, рекомендуется определять по формуле (7), отражающей влияние расстояния от среза трубы до поверхности корки, длины трубы и времени цикла.

4. Для повышения эффективности разрушения почвенной корки необходимо одновременное воздействие ударной волны и продуктов детонации, что достигается при оптимальном расстоянии от среза трубы до поверхности почвы, равном двум внутренним диаметрам детонационной трубы. Для нашего случая - 50 мм. Связь между давлением продуктов детонащи на выходе из трубы и расстоянием до поверхности почвенной корки носит параболический характер.

5. Для определения размера зоны разрушения почвенной корки предложена гависимость (15) между поступательной скоростью движения агрегата и частотой ударных волн!

6. На основании разработанной методики расчета технологических параметров и режимов'работы газодинамического почвообрабатывающего агрегата созданы три варианта конструкций газодинамического рыхлителя почвенной корий типа ГДРП, представляющих собой навесные устройства на серийный трактор Т28х4-М.

Способ обработки почвы и устройство для его осуществления запатентованы (заявка № 4654831/15-8498 от 12.01.89 г.).

Агрегат ГДРП эффективно разрушает корку толщиной до 40 мм (фракция почвы размером от I до 2 см составляет 90$, эрозионно-опасных частиц практически не наблюдалось) и имеет производи^ тельность до 2 га/ч.

Воздействия ударных волн на почву и растения при рекомендуемых режимах позволяют:

а) увеличить всхожесть семян растений хлопчатника до 15% и уменьшить сроки полной всхожести на 2-3 дня;

б) сократить срок созревания хлопчатника на 10-14 дней вследствие ускорения развития растения на всех фазах;

в) повысить накопление питательных веществ в частях растения (корни, листья, стебли, волокна) и за счет этого увеличить урожайность хлопчатника в средаем на 10%;

г) вызвать бурный рост общего числа микробов-в слое почвы до 30 см. Через сутки после воздействия наблюдается усиленный

35

рост мелких колоний почвенных микроорганизмов. Через 3-4 суток число микробов возвращается к исходному состоянию. Физиологические группы микроорганизмов также увеличиваются (масляно-кис-лого брожения, амонификаторов, тарификаторов, азотобактерий).

Возрастает общий уровень биологической активности почвы. Выделение углекислого газа в почве опытных участков составило 274 кг/га, на контроле - 202 кг/га.

7. Выявлена возможность применения газодинамического принципа воздействия на обрабатываемый материал и на других сельскохозяйственны^ операциях: хлопкоуборка, предпосевная обработка семян, дренажирование, умерщвление куколок тутового шелкопряда.

8. Получены характеристики зоны воздействия детонационной волны на созревшие коробочки хлопка в зависимости от режимов работы детонационного генератора: частота ударов - 4 Гц,, скорость перемещения агрегата - 3,6 км/ч.

Разработаны рекомендации по конструированию хлопкоуборочного агрегата и изготовлены два варианта агрегата с адаптацией к серийным комбайнам 14ХВ-2,4 и ХШ-1,8. Опытные хлопкоуборочные установки обеспечивают 80-9055 сбора хлопка за один проход при засоренности собранного хлопка не выше чем у серийного шпиндельного комбайна.

Способ уббрки урожая и устройство для сбора урожая запатентована (заявка № 469288/30/15 от 30.10.89 г. и заявка № 4844288/15 от 16.01.91 г.).

9. Использование газодинамического эффекта на предпосевной обработке семян показало ускорение прорастания семян хлопчатника, кукурузы и даугары, обработанных действием ударных волн в течение 3 минут при частоте ударов 10 Гц. Обработка перед посевом приводит' к ускорению всходов хлопачатнйка на 2-3 дня.

Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур и устройство для его осуществления,запатентованы (заявка № 5041435 от 16.03.92 г.).

10. Применение газодинамического принципа в задаче дренажирования показало, что цилиндрический детонационный генератор может использоваться в качестве бура для шпуров,диаметром 50 мм при использовании детонационной трубы диаметром 25 мм. Для получения шцура глубиной до 3 и необходимо применять ударную волну частотой 10 Гц.

36

Экспериментальные исследования позволяют рекомендовать применение ГДРП-3 со сменными насадками для получения требуемой ■плотности шпуров на засоленных почвах с производительностью в пределах 2 га/ч. Способ дренажирования и устройство для его осуществления запатентованы (заявка 5059676 от 21.05.92 г.).

11. Установлено, что в диапазоне частот генерации детонационных волн 1-10 Гц достигается умерщвление куколок тутового шелкопряда. Способ умерщвления куколок запатентован (заявка

№ 4877938/12 (085010) от 17.04.91 г.).

12. В результате проведенных исследований и хозяйственной проверки разработаны промышленные образцы агрегатов ГДРП-3, которые применяются в хозяйственных условиях.

Исследования Показали, что при высоком качестве работ агрегат ГДРП-3 имеет годовой зкономический эффект 543,2 га/руб (в ценах 1990 г.). Внедрение агрегатов на полях хлопководства может обеспечить получение эффекта до 543,2 млн.руб в год.

На основе материалов исследований разработана техническая документация для серийного выпуска рыхлителя почвенной корки (ГДРП-3), производство которого планируется на Ферганском механическом заводе Узбекистана.

Агрегат ГДРП прошел две стадии международного патентования (приоритетный номер международной заявки № РСГ/$У 91/00003).

Международный анализ заявки не выявил зарубежных аналогов.

Основные публикации, отражающие содержание диссертации:

1. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж. Газодинамический способ уборки урожая хлопка-сырца. - В сб.: Решение проблемных вопросов теории механизмов машин. - Фергана, 1991.

2. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж., Мадаминов Б.А. Газодинамические способы обработки почвенной корки. - В сб.: Решение проблемных вопросов теории механизмов машин. - Фергана, 1991.

3. Краснощеков Ю.И., Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж. Примене'ше газодинамики в хлопководстве. - Фергана, 1992.

4. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж. Бесконтактный способ рыхления почвенной корки. - В сб.: Научно-практическая конференция по .механизации трудоемких производственных процессов в зоне хлопководства. - Ташкент, 1992.

5. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж. Разуплотнение почвы ударно*-волновым воздействием. - В сб.: Научно-практическая конференция по механизации трудоемких производственных процессов в зоне хлопководства. - Ташкент, 1992.

6., Тожиев P.S., Сагатова М.А. Агрохимические и агробиологические исследования почвы, обработанной газодинамическим способом. - В сб.: Научно-практическая конференция по механизации трудоемких производственных процессов в зоне хлопководства. -Ташкент, 1992.

7. Тожиев P.K. t Мадаминов Б.А., Рахматов Д.Э. Газодинамический способ разрушения уплотненного подпахотного слоя почвы. -Труда САИМЗ, 1992.

8. Карабаев М.К., Тожиев P.S. О механизме образования почвенной корки. - Труда САИМЭ, 1992.

9. Краснощеков Ю.И., Тожиев Р.Ж. Рыхление почвенной корки бесконтактным способом. - Труды САИМЭ, 1992.

10. Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н. Ударно-волновые воздействия в некоторых задачах возделывания хлопчатника. - Сборник трудов ФерПИ, 1992.

11. Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н., Мадаминов Б.А. Предпосевная обработка семян сельскохозяйственных культур газодана-мическим воздействием. - Сборник трудов ФерПИ, 1992.

12. Тожиев Р.Ж., Мадаминов Б.А., Рахматов Д.Э. Генератор детонационных волн в задачах дренажирования. - Сборник трудов ФерПИ, 1992.

13. Тожиев Р.Ж., Облаеров 0.0., Юлдашев Э.Ю. Газодинамический способ улучшения плодородия почв. - В сб.: Загрязнение почв и пути его предотвращения. - Институт почвоведения АН РУ, 1992.

14. Тожиев P.S., Максаков A.A., Товчигречко В.Н. и др. Исследование и разработка устройств на принципе детонации топлив-но-воэдушных смесей в трубах применительно к сельскохозяйственному производству. - Научно-технический отчет, 1989.

15. Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н., Максаков A.A..и др. Газодинамический хлопкоуборочный агрегат. - Научно-технический отчет. Раздел 2. Отдел технического архива ЦНИИХМ, инв.№ 392 "И", Москва, 1991.

16. Тожиев Р.Ж. Товчигречко В.Н,-, Максаков A.A. и др. Разработка и исследование импульсных средств на принципе детонации топливно-воэдушных смесей в трубах в интересах агропромышленного комплекса. - Научно-технический отчет. Отдел технической документации. Архив ЦНШХМ, инв. № 390 "И", Фергана-Москва, 1991.

17. Карабаев M.K., Тожиев P.S., Товчигречко В.Н. и др. Способ обработки почвы и устройство для его осуществления. Положительное решение по заявке № 4654831/15-8498'от 12.01.89.

18. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж., Краснощеков Ю.И. и др. Способ уборки урожая. Положительное решение по заявке № 4692188/ 30-15 от 30Д0.89.

19. Краснощеков Ю.И., Тожиев Р.Ж., Карабаев М.К. Устройст-г во для сбора урожая. Положительное решение по заявке.№4844288/15 от 16.01.91.

20. Карабаев М.К., Краснощеков Ю.И., Тожиев Р.Ж. и др. Способ первичной обработки коконов, устройство для его осуществления. Положительное решение по заявке № 4S77938/I2 ( 085010) от' 17.04.91.

21. Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н., Полупанова O.A. Разработка и исследование на принципе управляемой детонации топливно-аоз-душных смесей в трубах в интересах агропромышленного комплекса. -Научно-технический отчет НГ-5-902-90, шифр "Хлопок", инв.№ 397"И", ЦНИИХМ, 1992.

22. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж, Товчигречко В.Н. и др. Способ обработки почвы и устройство для его осуществления. Международная заявка U РОГ/SV 91/00003.

23. Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н. и др. Способ обработки почвы- и устройство для его осуществления. Аргентина, заявка № 32270 от 15.07.92.

24. Тожиев Р.Ж., Товчигречко В.Н., Рахматов Д.Э. и др. Способ дренажирования и устройство для его осущестэления. Положительное решение по заявке № 5059676 от 21.05.92.

25.'Карабаев М.К., Тожиев Р.Ж., Краснощеков Ю.И. и др. Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур и устройство для его осуществления. Положительное решение по заявке № 5041435 от 16.03.92.

Подписано к печати 03.03.93. Объем 2,5 п.л. Заказ № 29

Форм.бум. 60x901/16 Тираж 100 экз.

Типография ЦОПКБ ВИМ