Раздел 8. Бионические основы обеспечения надёжности сельскохозяйственных машин……………………………………………………... 241

8.1. Биомеханический анализ режущих и демпфирующих приспособлений животных …………………………………………………………. 241

8.2. Изучение особенностей строения зубов животных, обеспечивающих их долговечность…………………………………………….. 248

8.3. Увеличение долговечности режущих деталей сельскохозяйственных машин ……………………………………………………. 253

8.4. Повышение надёжности рабочих органов почвообрабатывающих машин……………………………………………………. 260

Контрольные вопросы ………………………………………………………………… 265

Раздел 9. Биоэргономические основы технического сервиса сельскохозяйственной техники…………………………………………………… 266

9.1. Биоэргономический подход к созданию основ технического сервиса сельскохозяйственной техники в общей системе

«человек-машина-среда»……………………………………………………………… 266

9.2. Обоснование биоэргономических основ совершенствования сельскохозяйственных машин……………………. 268

9.3. Обоснование биосистемного подхода к созданию мобильных средств технического сервиса………………………………….. 272

9.4. Разработка конструкций мобильных средств технического сервиса по биоэргономическому подобию………………………………….. 287

Контрольные вопросы ………………………………………………………………… 299

Раздел 10. Перспективы развития бионики в сельскохозяйственном производстве …………………………………………. 300

10.1. Перспективные бионические материалы для сельскохозяйственных машин…………………………………………………….. 300

10.2. Новые способы воздействия на биологические объекты…… 312

10.3. Перспективы совершенствования сельскохозяйственных технологий и машин на основе бионических сравнений……………. 315

Контрольные вопросы ………………………………………………………………… 324

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………. 325

Природа строит крепче

и мудрее всех инженеров

мира взятых вместе…

А.Куприн

ВВЕДЕНИЕ

Есть учебные дисциплины, познавая которые, мы на протяжении всей своей жизни сохраняем верность первоначальным истокам человеческой природы. В глубине своего сознания человек обращается к двум фундаментальным факторам своего существования  пространству и времени. Быстротечность и невозвратимость времени, неисчерпаемость пространства  вот те основные свойства, которые волнуют все человечество. Умудренный опытом и ограниченный временем своей жизни, человек спешит познать хотя бы некоторые основы природных таинств. Это стремление породило к жизни новую, успешно сейчас развивавшуюся науку  бионику. Как в начале своего зарождения, так и сейчас бионика занимает самые пытливые умы человечества. Родившаяся на стыке биологических, физико-математических и технических наук, бионика ставит своей задачей использование принципов организации и функциональных схем биологических систем разного уровня при решении инженерно-технических задач. В поистине бездонной кладовой форм живой природы обнаруживаются великолепные образцы совершенных механизмов, конструкций и наиболее оптимальных «инженерных решений». Великий русский математик Н.И. Лобачевский призывал обращаться к природе, которая «хранит все истины и на вопросы будет отвечать непременно и удовлетворительно».

Использование в технике, и особенно сельскохозяйственной, законов и форм живой природы вполне правомерно. Ведь в мире нет непреодолимых барьеров между живой и неживой природой. Объективно существующие законы объединяют весь мир в единое целое. Они порождают возможность возникновения синтетических наук, к которым можно отнести и бионику. Основой этому служит биологическое родство человека с окружающей его живой природой. Весьма убедительно в этом аспекте звучат стихи Ф. Тютчева:

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик 

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык...

Эти поэтические слова содержат в себе глубочайший смысл. Синтезируя достижения многих естественных и технических наук, осуществляя совершенно новый подход к изучению творчества живой природы, бионика с каждым годом захватывает новые рубежи, все больше проникает в различные области практической деятельности. Она формирует и развивает новые научные направления, которые способствуют ускорению развития инновационных технологий.

В последнее время в области земледельческой механики сформировалось новое научное направление, заключающееся в бионическом подходе к созданию сельскохозяйственных машин и рабочих органов к ним. Рождение такого научного направления вызвано велением времени. Ведь существующие технологии обработки почвы, возделывания сельскохозяйственных культур и системы машин для их осуществления нуждаются в дальнейшем совершенствовании в связи с резко возросшими требованиями в области экологии, а также обострившейся проблемой обеспечения энергоносителями. Существенными недостатками в работе серийных почвообрабатывающих машин является их сильное уплотняющее воздействие, разрушение структуры и ухудшение физико-механических свойств почвы. В совокупности с несовершенством форм рабочих элементов и принципов их воздействия на почву это приводит к увеличению энергоемкости почвообрабатывающих машин на 20...25%, что ограничивает возможности более рационального использования энергоресурсов. Все актуальнее становится проблема создания принципиально новых рабочих органов с обратной от почвы связью, разрабатываемых на основе биосистемного подхода по прототипу функционирования рабочих органов живых организмов с учетов современных достижений бионики. Возникает необходимость использования принципов и методов бионики как составной части общей теории систем в совокупности с экологическим подходом. В связи с этим очень важное значение имеют решения задач по разработке, на условиях бионических сравнений, принципов воздействия рабочих органов на почву при совершенствовании их конструктивных схем, форм, обосновании параметров и методов проектирования.

При механической обработке почвы в живую биологическую систему «почва-растение-атмосфера» внедряется четвертый  инородный, существенно отличающийся от биосистемы элемент  деформатор в виде рабочего органа, что снижает общий уровень её функционирования. Поэтому требует комплексного разрешения проблема взаимовлияния элементов биологической системы с реакцией искусственного рабочего органа в пространстве и времени. В существующих конструкциях пассивных и активных почвообрабатывающих органов, воздействующих на биологическую систему «почва-растение-атмосфера», не имеется обратной динамической связи для реализации чередующихся фаз уплотнения-скалывания почвы, что является их существенным недостатком. В то же время, окружающая нас природа показывает примеры изумительной приспособленности живых организмов к многообразным условиям их существования, в том числе и во взаимосвязи с искусственными объектами. Решить это противоречие предлагается новым способом повышения надежности функционирования биологической системы, создавая рабочий орган по подобию живого организма, а также придавая ему некоторые характеристики и свойства живого прототипа. В этой связи возникает необходимость разработки теоретических основ устойчивого многовариантного функционирования бионической системы «рабочий орган по подобию биологического прототипа - почва-растение-атмосфера». Рассматривая рабочий орган в этой системе и сопоставляя его с биологическими прототипами, приходим к выводу, что с целью «вживляемости» в бионическую систему он должен своевременно реагировать на изменение площади контакта с ним соударяющихся между собой частиц почвы, в соответствии с ее чередующимися фазами уплотнения-скалывания. Изменяющаяся площадь контакта рабочего органа с почвой приводит к многоконтактной задаче в пространстве, а наиболее быстрое реагирование во времени физически обеспечивается только ударом. Эта гипотеза подтверждается строением и принципом ударного действия биологических объектов.

В теоретических дисциплинах по земледельческой механике еще не ставился и не решался вопрос многоконтактно-ударного воздействия на почву, в соответствии с фазами её деформации и скалывания. Применительно к этому процессу нет теоретического обоснования форм и параметров почвообрабатывающих органов на основе бионических сравнений. В настоящем учебнике впервые рассматривается проблема создания на базе бионических исследований в пространстве и времени теоретических основ и практической реализации принципа многоконтактно-ударного воздействия на почву и удовлетворяющих этому принципу параметров и форм рабочих органов, повышающих эффективность технологического процесса обработки почвы. В основу методов решения этой проблемы положена общая теория систем с составной ее частью  бионикой.

По специальности 35.04.06 «Агроинженерия» готовятся бакалавры и магистры. Однако в содержаниях учебников и научных работ в настоящее время недостаточно нашли отражение вопросы, связанные с использованием принципов и методов бионики. Изменение общей направленности подготовки специалистов  важное, но далеко не единственное видоизменение. Не менее насущной является потребность видоизменения и самого содержания учебных дисциплин. Целью настоящего учебника является ознакомление студентов, будущих магистров, аспирантов и слушателей факультетов повышения квалификации с новым научным направлением в земледельческой механике на основе системного подхода  современными приемами и методами бионики по разработке малоэнергоемких сельскохозяйственных машин и обоснованию оптимальных параметров их рабочих органов.