Результаты исследований

Материал к докладу

Энергия, расходуемая человечеством на обработку почвы, огромна. Чтобы вспахать один гектар почвы после многолетних трав, нужно израсходовать в зависимости от её гранулометрического состава 15-20 л дизельного топлива, для дискования и лущения легкосуглинистых почв – 5-11 л, для чизелевания в зависимости от глубины рыхления – 4,5-11,2 кг.

Для Республики Беларусь, площадь пашни которой составляет
5662,1 тыс. га, создание современной экономичной почвообрабатывающей техники, обеспечивающей снижение тягового сопротивления при реализации технологического процесса, является актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение для агропромышленного комплекса Республики Беларусь.

Одним из перспективных и эффективных направлений снижения тягового сопротивления является проектирование рабочих поверхностей почвообрабатывающих машин на основе элементов бионики.

Благодаря научно-техническому прогрессу в области биологии и зоологии, новым методам микроскопии и вычислительной техники, а также современной измерительной технике удалось понять механизмы уменьшения лобового сопротивления почвеннороющих животных. Так китайскими учёными из Цзилинского технологического университета в Чень Чуне было установлено, что подвижные тела некоторых почвенных животных, например, дождевых червей, деформируют под воздействием окружающей почвы, в результате чего на поверхности тела возникают электрические потенциалы. Эти потенциалы отрицательны по отношению к неподвижным частям тела с положительными и отрицательными полюсами на одно поверхности. Поскольку ряд частей тела стимулируется, в различных областях образуется много зон с отрицательным потенциалом. Так как расстояние между зонами с отрицательным и положительным потенциалами незначительное, гидратированные положительные ионы перемещаются к поверхности тела в контакте с почвой, приводимой в действие электрической разностью потенциалов, в результате чего возникает явление биологического электроосмоса. Это улучшает смазку водой в контактной границе соприкосновения, и тем самым уменьшает натяжение и вязкость водной пленки и, следовательно, снижает сопротивление трению окружающей почвы.

Установлено, что как правило, существуют два типа биоэлектрического потенциала живого существа, потенциалы покоя и действия; поверхностный потенциал живого тела является комбинированным отражением двух типов потенциала. Потенциал покоя существует между внутренней и внешней стороной ткани или клеточной мембраны, когда существо находится в неподвижном состоянии. При перемещении возникает дополнительный потенциал действия между возбужденной частью и покоящейся частью той же самой ткани или клеток. Длительность потенциала действия небольшая, но больше, чем у потенциала покоящейся мембраны. Например, двумя типами потенциала мышечных и нервных клеток являются, соответственно, 60-90 и 90-120 мВ.

Исследуя с помощью электронной микроскопии морфологию поверхности кутикул ряда почвенных насекомых (слайд 3,4), мы обратили внимание на то, что животные, проводящие значительную часть времени в контакте с почвой, обладают, в некотором роде, грубым покровом. Всё это, согласно исследованиям китайских учёных, имеет цель заставить почвенную влагу перемещаться для смазки к выпуклостям, так как выступающие поверхностные элементы в виде чешуек, бугорков, всевозможных видов тиснений обладают небольшим отрицательным напряжением относительно промежуточных областей.

Cтруктура биоэлектрической системы почвенных животных отлична от предлагаемых в научной литературе электроосмотических систем разъединительного типа.  Её основное отличие заключается в расположении положительных и отрицательных полюсов различной геометрии, с определённой плотностью по определенной схеме, очень близко друг к другу на одной поверхности. Такая конструкция биоэлектрической системы позволяет достигать животному максимального эффекта при минимальных затратах энергии.

С целью проверки эффективности применения электроосмоса разъединительного типа к проектированию антифрикционных поверхностей почвообрабатывающих машин нами изготовлена экспериментальная установка и образцы тестируемых поверхностей (слайд 5,6)

Принцип действия установки заключается в следующем. Диск с электроосмотической поверхностью прижимается с определённым усилием к вращающейся чаше с почвой. Под действием трения между почвой и диском торсионный вал, на котором закреплён диск, закручивается на определённый угол. Этот угол регистрировали с помощью инкрементального энкодера.

Затем к диску подводится напряжение. Опять фиксируется угол закручивания торсиона.

Угол закручивания отображается на панели управления, здесь же значение угла закручивания j пересчитывается в крутящий момент на валу.

Установка позволяет создавать скоростные и силовые нагрузки на рабочую среду, характерные для реальных условий работы почвообрабатывающих рабочих органов (слайд 7).

Для создания давления на почву к диску через рычаг с подвесом прикладывается вертикальная нагрузка (рисунок 3). Частота вращения чаши изменяется преобразователем частоты с пульта управления в пределах от 150 до 300 мин^-1, что соответствует поступательной скорости исследуемой почвы в диапазоне 3-8 км/ч.

В качестве исследуемого рабочего органа, на поверхности которого наносятся бионические элементы с различной плотностью, предложено использовать диск с электроосмотической поверхностью.

Gочва, использованная в экспериментальных исследованиях, представляет собой средний суглинок содержанием глинистых частиц до 30 %.

В исследованиях в качестве анода выступал диск, катодом являлись металлические стержни-вставки. Такая схема подачи напряжения позволяет перемещаться влаге от анода к катоду согласно рисунку на слайде 5,

Результаты исследований

При пропускании электрического тока через электроды, прижатые к почве по схеме, представленной на рисунке 5, было замечено выделение почвенного раствора на катодах. Выделение на катоде почвенного раствора можно было определить не только изменением угла закручивания торсиона, но и визуально по лужицам почвенной влаги, просачивающейся через поры между изоляторами и катодами (рисунок 6, а).

Электроосмотический перенос воды протекает до тех пор, пока запасы воды в порах грунта у анода не иссякнут.

Постоянный ток, кроме электроосмоса, вызывает также в исследуемой почве электролиз воды. При этом у катода выделяется газообразный водород (слайд 9).

Электроосмос и электролиз воды возникают одновременно и протекают параллельно. Эти процессы вызывают изменение физико-механических свойств исследуемой почвы. Величина этих изменений зависит от продолжительности действия тока и количества прошедшего через почву электричества.

Под действием электроосмоса происходит изменение влажности, коэффициента внешнего трения и других физико-механических свойств почвы в области диска с электродами. У катодов увеличивается влажность и возникает зона водонасыщенного грунта.

Наибольшее снижение потребной мощности на преодоление трения почвы о диск посредством электроосмоса получено для диска с вставками-анодами диаметром 10 мм при напряжении электроосмоса 30 В и силе тока 0,35 А. При этом мощность на трение снижается на 34 % с 230 Вт до 153 Вт.

При увеличении напряжения электроосмоса с 30 В до 60 В мощность потребная на преодоление трения снижается на 25% с 230 Вт до 174 Вт, что составляет 25 %.

При подключении отрицательного полюса к диску, а положительного к вставкам-электродам (диаметром 10 мм) при напряжении электроосмоса 30 и 60 В эффект от электроосмоса незначительный:  мощность на преодоление трения металлического диска о почву снижается по сравнению всего лишь на 6 и
5 % соответственно.

Уменьшение диаметра вставок-электродов до 2 мм и расстояния между ними до 10 мм показало положительный эффект по снижению трения диска о почву только для напряжения электроосмоса 30 В. Так мощность потребную на преодоление трения удалось снизить при прямой полярности электродов (рисунок 5) на 22 %, а при обратной – на 13 %.

Полученные результаты исследований требуют апробации в реальных условиях эксплуатации почвообрабатывающих рабочих органов, чему мы надеемся посвятить особую статью.

Заключение

При помощи бионического метода электроосмоса можно подавать воду, механически связанную с почвой, на рабочие поверхности почвообрабатывающих машин.

Электроосмотически перенесённая вода создаёт слой «смазки» на электродах и снижает трение почвы о рабочую поверхность.

Потребная мощность на преодоление трения почвы о стальной диск посредством электроосмоса может быть снижена при напряжении электроосмоса 30 В и силе тока 0,35 А на 34 %.