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

10.3.1. Обработка почвы

Перспективы развития вибрационной (импульсной) технологии, благодаря возможности концентрировать энергию во времени, представляют большой интерес для сельскохозяйственного производства, особенно при совершенствовании почвообрабатывающих машин, поскольку на обработку почвы затрачивается около 70% энергии, потребляемой в сельском хозяйстве. Существующие машины с вибрационными рабочими органами не всегда обеспечивают получение ожидаемого эффекта, так как на создание колебаний с помощью энергетических устройств с приводом затрачивается дополнительная энергия. Ожидается, что успешное решение этой проблемы с использованием бионики позволит на 30…40% сократить затраты на обработку почвы, а также пересмотреть типаж тракторов в сторону уменьшения количества тяжёлых машин.

Основной проблемный вопрос заключается в обосновании формы и частоты вибрационного воздействия в конкретных почвенно-климатических условиях с целью достижения наибольшего эффекта. Бионические исследования показывают, что распространенное в южных степных районах Восточной Европы, в том числе в Украине, роющее животное слепыш обыкновенный создает импульсную вибрацию в виде волновых пакетов в количестве 6…8 импульсов в секунду с частотой колебаний внутри импульса 250…300 Гц. Очевидно, что подобную вибрацию следует сообщать рабочим органам почвообрабатывающих машин.

Дальнейшее совершенствование конструкций плоскорезных культиваторных лап ведёт к созданию вибромагнитного плоскорежущего рабочего органа. В таком рабочем органе виброударное воздействие дополняется действующим на почву магнитным полем. Повышение интенсивности крошения почвы и обработки ее магнитным полем в новом рабочем органе достигается закрепленными в передней части электромагнитными виброударными механизмами с подрезающими электромагнитными зубьями и рыхлящими электромагнитными элементами с винтовыми ножами в задней части.

Вибромагнитный плоскорежущий рабочий орган содержит стойку 1, башмак 2, нож 3, электромагнитные виброударные механизмы 4, закрепленные на башмаке 2 и размещенные по всей ширине захвата ножа 3 (рис. 10.6).

Электромагнитный виброударный механизм состоит из закрепленного на башмаке 2 цилиндрического корпуса 5, в передней части которого установлен с возможностью поступательного движения электромагнитный конический зуб 6, а в задней части размещен рыхлящий электромагнитный элемент 7,имеющий форму винта с ножами 12. Внутреннюю часть электромагнитного виброударного механизма составляют разделенные фланцами и соосно установленные электромагниты, включающие подвижные стальные цилиндрические сердечники 9 с полушаровыми выступами на торцах, установленные внутри намагничивающих обмоток 10 соосно с зубьями 6, и рыхлящий элемент 7 с чередованием фиксирующих упругих элементов 11 между ними. Направление тока в намагничивающих обмотках последовательно чередуется, в результате чего торцевые части соседних сердечников имеют одноименную полярность, приводящую к отталкиванию их одной от другой. Рыхлящий элемент 7 выполнен в виде закрепленного на конечном, свободно проворачивающемся вокруг оси сердечника, винта с ножами 12 по его образующей с режущими кромками по форме отрезка логарифмической спирали. Соседние зубья по ширине захвата рабочего органа имеют противоположную полярность, что приводит к взаимодействию их магнитных полей, пронизывающих почву в межзубовом пространстве. Чередование полюсов задних рыхлителей также позволяет интенсифицировать воздействие на почву магнитным полем в процессе рыхления подрезанного пласта почвы. С целью интенсификации работы устройства, в соответствии с фазами деформации почвы, напряженность магнитного поля в электромагнитных виброударных механизмах увеличивается в направлении от зубьев к рыхлителям. Для улучшения крошения и схода почвы с рыхлителей задняя часть ножей рабочего органа между электромагнитными виброударными механизмами имеет вырезы, выполненные по дуге окружности (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Вибромагнитный плоскорежущий рабочий орган

Зубья 6 и рыхлители 7 совершают вибрационное перемещение во время воздействия на почву, за счет электромагнитных виброударных механизмов, реализующих периодические изменения сил сопротивления почвы и сил трения зубьев и рыхлителей о почву в электромагнитном и механическом поле удара. Вибрационное перемещение зубьев и рыхлителей в предложенном вибромагнитном плоскорежущем рабочем органе характеризуется как особым процессом его возникновения, так и устойчивым характером его поддержания. Поддержание колебательного процесса обеспечивает внешний энергоисточник, подводящий энергию, причем неколебательного типа. В данном случае подводится тяговое усилие, преодолевающее сопротивление почвы, и электрическое питание к электромагнитам от генератора постоянного тока, установленного на тракторе. По физической сутии способу реализации энергии работа вибромагнитного механизма в предлагаемом рабочем органе разделяется на два периода с переключением. При движении в почве в первом периоде в электромагнитных виброударных механизмах происходит накопление подводимой от источника энергии, посредством промежуточных намагниченных сердечников (звеньев), фиксирующих упругих элементов между ними, а также зубьев и рыхлителей. В этот период происходит сближение промежуточных сердечников до момента их соударения. Причем, при движении рабочего органа с постоянной скоростью в одном направлении между зубьями, рыхлителями и почвой действует сила трения, направленная в сторону, противоположную скорости движения рабочего органа. Роль демпфера здесь выполняют электромагниты, создающие отталкивающую силу между промежуточными сердечниками, пропорциональную их скорости и реализующие вязкие свойства почвы. Вибрационное перемещение в этот период возникает за счет разности и противоположной направленности сил трения зубьев 6 и рыхлителей 7 о почву и сил отталкивания торцевых частей зубьев, рыхлителей и промежуточных сердечников в магнитном поле виброударного механизма. В первом периоде, начиная от положения, при котором зубья, рыхлители и сердечники находятся в равновесии, а сжатие фиксирующих упругих элементов равно нулю, трение относительного покоя велико, зубья и рыхлители будут двигаться вместе с почвой назад. Движение будет продолжаться до тех пор, пока отталкивающая сила магнитных сердечников и сжатие фиксирующих упругих элементов, оттягивающих зубья и рыхлители вперед, не достигнут значения, равного силе относительного покоя и начнут превышать ее. После этого произойдет скол пласта почвы. Зубья, рыхлители и сердечники начнут двигаться вперед, преодолевая силу трения при относительном движении и, пройдя по инерции положение равновесия, продолжат движение до крайнего переднего положения. Но здесь сила магнитного взаимодействия сердечников и упругая сила фиксирующих элементов начнут толкать зубья, рыхлители и сердечники снова назад. При этом, в некоторый момент времени, скорости этих элементов и слоя почвы станут равными друг другу и процесс повторится до следующего скола блока почвы. После срыва зубья, рыхлители и сердечники перемещаются как обыкновенная колебательная система по синусоидальному закону. В этом периоде имеют место электромагнитные фрикционные автоколебания. Он продолжается до достижения предельного напряженного состояния почвы перед рабочим органом, то есть до начала скола блока почвы. Затем осуществляется переключение на отвод накопленной энергии, которое происходит в момент механического удара торцевых частей промежуточных сердечников, зубьев и рыхлителей. В связи с увеличением напряженности магнитного поля в электромагнитах виброударных механизмов в направлении от зубьев к рыхлителям, момент переключения (соударения в сердечниках) наступает последовательно от передних зубьев к задним сердечникам и рыхлителям.

Во втором периоде, после последовательного переключения, происходит отвод накопленной энергии, скалывание и разрушение блока почвы. Под действием сил механического поля удара и отталкивающих сил магнитного поля сердечники расходятся с большой скоростью, а энергия, посредством зубьев и рыхлителей, передается почве. После удара промежуточных магнитных сердечников направление движения их резко меняется. Они приобретают ускорение, и сила их отталкивания значительно возрастает. Следовательно, возрастает разность между силой трения зубьев, рыхлителей о почву и силой их отталкивания. Силы отталкивания каждого из промежуточных сердечников имеют различную величину. В результате этого возникает спектр разностей сил трения зубьев и рыхлителей о почву и сил отталкивания промежуточных магнитных сердечников, что приводит к возникновению автоколебаний в почве. Таким образом, во время воздействия на почву первый и второй периоды после­довательно чередуются. В результате этого происходит вибрационное перемещение зубьев и рыхлителей в почве в совместном действии с промежуточными звеньями в электромагнитном и механическом поле удара. Работа вибромагнитного плоскорежущего рабочего органа в соответствии с фазами деформации почвы происходит следующим образом. В первой фазе, при погружении рабочего органа в почву, происходит сближение частиц почвы с электромагнитным коническим зубом 6. Стальные цилиндрические сердечники 9 в это время перемещаются в магнитном поле намагничивающих обмоток 10. В момент контакта торцевых полушаровых частей цилиндрических сердечников 9 под действием отталкивающего магнитного поля, создаваемого намагничивающими обмотками соседних сердечников с одноименными полюсами, происходит взаимный удар. Электромагнитные зубья 6 и рыхлящий элемент 7 отходят в противоположные стороны. В этот момент электромагнитный конический зуб 6 скалывает блок почвы, а рыхлящий элемент 7 накапливает кинетическую энергию для рыхления подрезанного пласта. Свободно вращающиеся под действием переменного сопротивления почвы рыхлящие электромагнитные элементы 7 ножами 12 с режущими кромками разрезают подрезанный пласт почвы.

Выполнение режущих кромок на ножах 12 по форме логарифмической спирали позволяет разрезать пласт почвы со скольжением при минимальном сопротивлении. В заключительной фазе происходит отдача почве кинетической энергии рыхлящими электромагнитными элементами 7 и электромагнитными коническими зубьями. Отталкивающая сила магнитного поля стальных цилиндрических сердечников 9 и втягивающая сила магнитного поля намагничивающих обмоток 10 позволяет реализовать упруго- и вязко-пластические свойства почвы и создать условия для возникновения автоколебаний электромагнитных конических зубьев и рыхлящих электромагнитных элементов 7. В процессе работы электро­магнитного виброударного механизма реологические свойства почвы, как упруго-вязко-пластической среды, реализуются следующими конструктивными элементами:

1. Упругие свойства (тело Гука, в котором деформации и напряжения связаны линейной зависимостью) – фиксирующими упругими промежуточными элементами между намагниченными сердечниками.

2. Вязкие свойства (тело Ньютона, в котором скорость деформации и напряжение связаны линейной зависимостью) – соосно установленными электромагнитами с одноименной полярностью соседних полюсов в составе подвижных цилиндрических сердечников 9, зубьев 6 и рыхлителей 7 внутри намагничивающих обмоток 10.

Пластические свойства (тело Сен-Венана, в котором пластическое течение при постоянном напряжении, равном пределу текучести, подчиняется закону сухого трения) – трением намагниченных зубьев 6 и рыхлителей 7 о почву и взаимодействием их магнитных полей, пронизывающих почву в межзубовом пространстве.

Крошащая способность вибромагнитного плоскорежущего рабочего органа усиливается за счет совместного воздействия на почву электромагнитных полей электромагнитных конических зубьев 6 и рыхлящих электромагнитных элементов 7. Сочетание механического поля удара цилиндрических стальных сердечников 9 и электромагнитного поля электромагнитного виброударного механизма приводит к появлению нового эффекта в обработке почвы – ударно-магнитного воздействия.

10.3.2. Защита растений

Абсолютное большинство видов растений общаются между собой. Причем делают они это не хуже современных людей. Оказывается, у молчаливой флоры есть свой собственный «Интернет». Для передачи информации друг другу растения прибегают к помощи других представителей живой природы – грибов. Сети микоризы – дружественного растениям вида грибов – опутывают корневую систему и соединяются под землей, создавая уникальные по охвату коммуникационные ресурсы. Через грибные сети растения могут передавать сигналы об опасности. Если на какой-то куст совершена атака насекомых (например, гусениц или саранчи), животных или агрессивных птиц, другие растения, вовлеченные в «микоинтернет» получают эту информацию и могут своевременно среагировать на угрозу.

Одна из важнейших задач грибной сети – оповещение о болезнях. За то, что растениям удается избегать гибельных эпидемий, стоит благодарить именно «грибной интернет», уверены биологи, открывшие секрет подземных коммуникаций. Описана и схема взаимодействия грибов и растений. Тончайшая белая микориза на корнях эффективно поглощает из почвы химические вещества, преимущественно минералы и воду. В свою очередь, грибы снабжают этими компонентами растения, получая от них необходимые органические субстанции: углеводы, фитогормоны и аминокислоты.

Сети микоризы являются прекрасным транспортом биохимических сигналов. В эксперименте изучались ростки томата, соединенные подобной грибной сетью. Для контроля биологи использовали аналогичные растения, но уже без микоризы. Сначала исследователи заражали опасной грибковой инфекцией одно из растений, а через 65 часов – другое, наблюдая за его устойчивостью к заболеванию. Оказалось, что, при наличии грибной связи, второе растение меньше страдало от инфекции.

Следовательно с помощью «грибного интернета» могут общаться растения самых разных видов. Не исключено, что именно в такой подземной биосети скрывается секрет выживания и разнообразия земной флоры. В более ранних работах была открыта способность растений «разговаривать» дистанционно, передавая друг другу информацию по воздуху. Для этого используются специальные химические вещества. Основная цель такого общения – предупреждение об опасности. Обнаруженная грибная сеть является уже второй доказанной сигнальной системой растений.

Исследование описанных информационных систем растений позволит создавать технические устройства, при помощи которых можно будет заблаговременно предупреждать растения об опасности заражения болезнями или поражения вредителями, чтобы они могли подготовиться, активировав собственные биологические средства защиты. Такая технология может быть использована в системах экологического и органического земледелия, где не допустимо применение химических средств защиты растений.

10.3.3. Уборка урожая

Еще древние римляне обратили внимание на то, что используемый большинством птиц метод вычесывания при выделении зерна из колосьев может служить основой для разработки очесывающей гребенки зерновых культур. Тысячу восемьсот лет тому назад знаменитый древнеримский историк Плиний Старший писал, что крестьяне современной ему Галлии убирали урожай с помощью «валлуса». Уже в то время существовали деревянные тележки, которые в процессе движения выставленной вперед гребенкой отрывали колоски от стеблей. При работе этого простейшего устройства колоски палкой подталкивались в подставленный мешок. В результате использования этого устройства производительность труда хлебороба, по сравнению с жатвой серпом, повышалась втрое. Дальнейшего развития такой способ уборки зерна достиг в Бельгии. Здесь использовали мула, который толкал вперед деревянную тележку с гребнеподобным устройством, по которому в мешок стекало зерно. В настоящее время на этом принципе разрабатываются различные конструкции зерноуборочных комбайнов, среди которых наибольшее распространение получают комбайны, имеющие очесывающие гребенки, установленные в несколько рядов на вращающемся барабане. Они очесывают растения непосредственно на корню. В процессе их работы уменьшается травмирование и дробление зерна в 2…4 раза, а производительность увеличивается, по сравнению с серийными молотильными устройствами ударного действия, в 2…3 раза. Дальнейшее совершенствование очёсывающих устройств направлено на расширение области их применения на технические и эфиромасличные сельскохозяйственные культуры.

При уборке кукурузы на зерно наиболее сложной операцией является выделение зёрен из початков. При создании обмолачивающих механизмов дифференцированного действия на зерно кукурузы исследователям следует обратить внимание на «рабочие органы» амбарных вредителей (жвалы), таких как березковый зерноед, гороховая зерновка, зерновой точильник и т.п., поскольку двойное отношение линейных размеров зёрен кукурузы основных подвидов и жвал жуков полностью совпадает, что указывает на высокий уровень их адаптации к взаимодействию с зерном. Бионические исследования в данном направлении способствуют обоснованию оптимальных форм и параметров рабочих органов молотилок кукурузы.

У ос есть три типа фоторецепторов с максимумами чувствительности в области 340 (ближний ультрафиолет), 450 (синий цвет) и 540 (зелёный цвет) нанометров. Физики из Университета Билефельда (Германия) сконструировали небольшую катадиоптрическую систему с углом поля зрения в 280 градусов, имитирующую глаз осы. Катадиоптрическими принято называть те системы, которые содержат элементы, отражающие и преломляющие свет. Другими словами, в их состав входят и зеркала, и линзы. В своей схеме исследователи предусмотрели две оптические траектории. Внешняя часть изображения формируется с помощью выпуклой отражающей поверхности, а центральная область камеры собирает лучи через линзы. Система, масса которой не превышает 40 граммов, соединяется с USB-камерой с КМОП-матрицей. Камера обеспечивает съёмку с частотой до 80 кадров в секунду с разрешением по вертикали в 480 пикселов. Полученные изображения «сшиваются» и преобразуются специальной программой, которая тратит на редактирование одного кадра 10 миллимекунд при работе на компьютере, оснащённом процессором Core 2 Duo T7500 с тактовой частотой 2,2 гигагерца. Система ещё будет дорабатываться, поскольку физики хотят увеличить степень её сходства с глазом осы. Необходимо, в частности, решить вопрос съёмки в УФ-диапазоне. Результаты этого исследования могут быть использованы при разработке автоматизированных машин с фотометрическими анализаторами широкого спектра действия для выборочной уборки и качественной сортировки плодов по степени зрелости.

Контрольные вопросы

1. Какие недостатки у конструкционных материалов на основе железа, используемых в сельскохозяйственном машиностроении?

2. Какие природные конструкционные материалы используют живые организмы?

3. Откуда возникли нанотехнологии?

4. Что такое нанобионика?

5. Где рекомендуется использовать матричные нанокомпозиты, армированные наночастицами?

6. Что связывает наноалмазы, фуллерены, углеродные нанотрубки?

7. Какие возможности дает использование свойств наноструктуризированных металлов в рабочих органах сельскохозяйственных машин?

8. К какому показателю надёжности приводит нанесение на сталь покрытий из Ni-Cr-сплавов, содержащих наночастицы Al₂O₃?

9. К какому эффекту приводит добавка нанопорошков Cu-сплава к индустриальному маслу?

10. Какие перспективные направления использования нанотехнологий в сельскохозяйственном машиностроении?

11. Какими видами воздействий можно дополнить механический способ действия на биологические объекты?

12. Как влияют магнитные поля на почву и растения?

13. Как можно использовать энергетические свойства пчелиных сот?

14. Какие перспективы развития вибрационной технологии при обработке почвы?

15. В чем особенности конструкции вибромагнитного плоскорежущего рабочего органа?

16. Какие природные принципы можно использовать при защите растений и уборке урожая?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аpуин А.С. Эргономическая биомеханика./ А.С. Аpуин, В.М. Зациоpский. – М.: Машиностроение, 1989. – 256 с.

2. Апостолюк С.О. Основи ергономіки / С.О. Апостолюк, А.С. Апостолюк, В.С. Джигирей та ін. – К.: Основа, 2003. – 135 с.

3. Бабицкий Л.Ф. Бионические основы технических решений. Учебное пособие для студентов механического факультета очной и заочной формы обучения по дисциплине «Бионические направления разработки сельскохозяйственных машин» / Л.Ф. Бабицкий, В.Ю. Москалевич. – Симферополь: ЮФ НУБиП Украины «КАТУ», 2010. – 84 с.

4. Бабицький Л.Ф. Біонічні напрями розробки ґрунтообробних машин / Л.Ф. Бабицький. –К.: Урожай, 1998.–164 с.

5. Балакирев В.Ф. Электроимпульсные нанотехнологии / В.Ф. Балакирев, В.В. Крымский, Б.А. Кулаков, Ри Хосен; под ред. чл.-корр. РАН Л.А. Смирнова. – Екатеринбург, УрОРАН, 2009. – 141 с.

6. Беляев М.И. Милогия / М.И. Беляев. – Краснознаменск: Полиграф, 2001. – 588 с.

7. Бинги В.Н. Магнитобиология: эксперименты и модели / В.Н. Бинги. – М.: МИЛТА, 2002. – 592 с.

8. Гамбарян П.П. Приспособительные особенности органов движения роющих млекопитающих / П.П. Гамбарян. – Ереван, 1960. – 196 с.

9. Гармаш И.И. Тайны бионики / И.И. Гармаш. – К.: Радянська школа, 1985. – 177 с.

10. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.

11. Кибернетика и бионика. Иллюстрированный справочник. – М., 2005. – 73 с.

12. Косой В.Д. Инженерная реология биотехнологических сред / В.Д. Косой, Я.И. Виноградов, А.Д. Малышев. - С-Пб.: ГИОРГ, 2005. – 648 с.

13. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для вузов / Ю.Б. Кудряшов, Ю.Ф. Перов, А.Б. Рубин. – М.: Физматлит, 2008. – 184 с.

14. Кушнарёв А.С. Механико-технологические основы обработки почвы / А.С. Кушнарёв, В.И. Кочев. – К.: Урожай, 1989. – 144 с.

15. Литинецкий И.Б. Изобретатель – природа / И.Б. Литинецкий. – М.: Знание, 1986. –208 с.

16. Михайленко В.Е. Природа – геометрия – архитектура / В.Е. Михайленко, А.В. Кащенко. – К.: Будівельник, 1988. – 176 с.

17. Никулин В.М. От чудес природы – к чудесам техники / В.М. Никулин. – Днепропетровск: Проминь, 1988. – 164 с.

18. Петухов С.В. Биомеханика, бионика и симметрия / С.В. Петухов. – М.: Наука, 1981. – 240 с.

19. Попов Г.И. Биомеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.И. Попов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 256 с.

20. Рощин В.Е. Основы производства нанокристаллических и аморфных металлов: учеб. пособие / В.Е. Рощин, А.В. Рощин. – Челябинск: Изд-й дом ЮУрГУ, 2009. – 168 с.

21. Симаков Ю.Г. Живые приборы / Ю.Г. Симаков. – М.: Знание, 1986. – 176 с.

22. Сороко Э.М. Структурная гармония систем / Э.М. Сороко; Под ред. Е.М. Бабосова.– Минск: Наука и техника, 1984. –264 с.

23. Ультрадисперсные среды. Получение нанопорошков методом химического диспергирования и их свойства: учеб. пособие / Д.И. Рыжанков, В.В. Левина, Э.Л. Дзиндзигури и др. – М.: МИСиС, 2007. – 135 с.

24. Царенко О.М. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів: Підруч. для агр. вищ. навч. закл. освіти ІІ-ІV рівнів акредитації зі спец. «Механізація сільського господарства» / О.М. Царенко, Д.Г. Войтюк, В.М. Швайко, М.Я. Довжик, С.С. Яцун. – К.: Мета, 2003. – 448 с.

25. Шибанов Г.П. Количественная оценка деятельности человека в системах «человек-техника» / Г.П. Шибанов. – М.: Машиностроение, 1983.– 263 с.

Учебное издание

Бабицкий Л.Ф., доктор технических наук, профессор, академик Международной академии аграрного образования, академик Подъёмно-транспортной академии наук Украины, академик Нью-Йоркской академии наук, Заслуженный деятель науки и техники АР Крым, Заслуженный научно-педагогический работник НУБиП Украины, Изобретатель СССР

Москалевич В.Ю., кандидат технических наук

Соболевский И.В., кандидат технических наук, доцент