Луцький державний технічний університет

Бончик Віталій Семенович

УДК 631.356.43

РОЗРОБКА ТА ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РОТАЦІЙНОГО КАРТОПЛЕКОПАЧА

Спеціальність 05.05.11 -Сільськогосподарські машини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Луцьк 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Подільській державній аграрно-технічній академії, Міністерство аграрної політики України

Науковий керівник заслужений працівник освіти України, кандидат технічних наук, професор Самокиш Михайло Іванович, Подільська державна аграрно-технічна академія, ректор академії.

Офіційні опоненти: заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор, Гевко Богдан Матвійович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри технології машинобудування;

заслужений винахідник України, кандидат технічних наук, доцент Данильченко Михайло Григорович, Тернопільська академія народного господарства, проректор з впровадження результатів наукових досліджень у виробництво.

Провідна установа Львівський державний аграрний університет міністерства аграрної політики України, м.Дубляни

Захист відбудеться 11 травня 2001р о 13год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 Луцького державного технічного університету за адресою: 43018, м.Луцьк, в.Львівська, 75

з дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету за адресою: 43018, м.Луцьк, в.Львівська, 75

Автореферат розісланий 9 квітня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дідух В.Ф.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Збирання картоплі із використанням сучасної картоплезбиральної техніки на даний час залишається однією з найбільш ресурсозатратних технологічних операцій у сільськогосподарському виробництві. Вітчизняні машини при номінальних умовах експлуатації за показниками роботи не поступаються зарубіжним, але в екстремальних – допускають високий ступінь пошкоджень бульб та низьку сепаруючу здатність.

Основна увага при розробці картоплезбиральних машин приділяється створенню високопродуктивних сепаруючих пристроїв, застосування яких дозволить підвищити якість збирання урожаю, а також зменшити додаткові енергетичні витрати.

Перспективним у цьому напрямку є пошук та конструювання активних робочих органів для руйнування грудок картопляної грядки на початку виконання технологічного процесу, тобто одночасно із підкопуванням суміжних грядок для подальшого механізованого підбору і додаткового струшування на прутковому елеваторі.

У зв'язку з цим розробка і дослідження ротаційних робочих органів для руйнування грудок в картоплезбиральних машинах на початку виконання технологічного процесу є актуальним народногосподарським питанням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження були частиною вирішення важливої науково-технічної проблеми із розробки та впровадження машин для збирання картоплі у рамках цільової комплексної програми: “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості” затверджена Кабінетом Міністрів України 7 березня 1996 року.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка та обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів грудкоподрібнювальних робочих органів ротаційного картоплекопача для підвищення його сепаруючої здатності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:–

встановити геометричні параметри профілю картопляної грядки та розміщення бульбоносного гнізда для декількох сортів картоплі;–

розробити технологічну схему картоплекопача з використанням ротаційного робочого органу із вертикальною віссю обертання для руйнування грудок картопляної грядки;–

визначити конструктивно-технологічні параметри ротаційного робочого органу у сполученні із серійними грудкоподрібнювальними робочими органами;–

розробити математичну модель переміщення частинки грунту по робочих поверхнях лопатей ротора для теоретичного обгрунтування процесу руйнування бульбоносного пласта;–

теоретично дослідити вплив конструктивно-кінематичних параметрів ротора на ступінь подрібнення грунту;–

розробити комплекс лабораторно-польових досліджень для визначення раціональних режимів роботи машини;–

встановити закономірності впливу конструктивно-технологічних параметрів на якісні та енергетичні показники роботи картоплекопача;–

розробити методику інженерного проектування грудкоподрібнювальних робочих органів машини;–

провести порівняльну оцінку економічної та енергетичної ефективності розробленої конструкції із серійним картоплекопачем.

Об'єкт дослідження – картоплезбиральні машини та процес руйнування грудок картопляної грядки.

Предмет дослідження – грудкоподрібнювальні робочі органи картоплекопача та вибір їх конструктивно-технологічних параметрів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконувались із використанням положень теоретичної механіки, методів диференціальних обчислень, математичного моделювання і прикладного програмування. Експериментальні дослідження проводились на спеціально розробленій лабораторно-польовій установці із застосуванням гідроприводу вертикального ротора та тензометричного обладнання, змонтованого на тракторі, а також набору змінних з'єднувальних елементів для встановлення режимів роботи машини. Проведення дослідів здійснювалось із використанням математичного планування багатофакторних експериментів, статистики та теорії ймовірності.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше теоретично обгрунтовано доцільність використання способів попереднього руйнування грудок двох сусідніх картопляних грядок, а також запропоновано раціональне розміщення грудкоподрібнювальних робочих органів картоплекопача.

2. Розроблена математична модель процесу переміщення частинки грунту по робочих поверхнях лопатей вертикального ротора, на основі чого складені диференціальні рівняння, розв'язок яких дозволив встановити конструктивно-кінематичні параметри ротора та динамічну взаємодію його із бульбоносним пластом.

3. Вперше досліджено вплив конструктивно-кінематичних параметрів ротора на процес руйнування грудок картопляної грядки.

4. Встановлено основні фактори, які впливають на ступінь сепарації грунту при роботі картоплекопача.

5. Обгрунтовані раціональні режими роботи машини, які забезпечують мінімальні витрати енергії на викопування бульб.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено технологічну схему картоплекопача із використанням вертикального ротора.

2. Отримано аналітичні залежності для визначення технологічних і конструктивних параметрів грудкоподрібнювальних робочих органів.

3. Встановлено раціональні режими роботи ротаційного картоплекопача.

4. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень спеціалізованим конструкторським бюро ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”, розроблена конструкторська документація і виготовлений дослідний взірець картоплекопача.

5. Результати роботи впроваджені у с/г кооперативі ім. Котовського Кам'янець-Подільського району Хмельницької області, а також взяті до використання СКБ ВАТ “Кам'янець-Подільськсільмаш”.

6. Технічна новизна розробленої конструкції картоплекопача підтверджена Деклараційним патентом України на винахід №28501А від 16.10.2000 р.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором безпосередньо досліджений процес руйнування двох сусідніх картопляних грядок лопатями вертикального ротора [4], запропоновано конструктивно-технологічну схему роботи картоплекопача [1, 2, 7], проведено експериментальні дослідження геометричних параметрів картопляної грядки з метою проектування конструктивних параметрів картоплезбиральних машин [5, 6, 8, 9], на основі одержаних результатів експериментальних досліджень встановлено раціональні діапазони процесу роботи ротаційного картоплекопача [3], розроблено інженерну методику проектування грудкоподрібнювальних робочих органів [9]. Основні результати роботи отримані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних теоретичних і експериментальних досліджень роботи доповідались: на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Подільської державної аграрно-технічної академії (м. Кам'янець-Подільський, 1997-2000 рр.), на науково-практичній конференції, присвяченій 70-річчю з дня заснування факультету механізації сільського господарства Національного аграрного університету (м. Київ, 1999 р.), на науково-технічній конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2000 р.), на науковому семінарі кафедри сільськогосподарського машинобудування Луцького державного технічного університету (2001 р.).

Публікації. Основні положення і результати досліджень опубліковані в дев'яти друкованих працях, з яких один патент України на винахід та одне авторське свідоцтво.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 125 назв та 15 додатків. Основний зміст дисертації виконаний на 149 сторінках, містить 77 рисунків і 8 таблиць.

основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, подана загальна характеристика дисертації та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі “Сучасний стан механізації збирання картоплі та конструювання сепаруючих робочих органів машин” проведено огляд існуючих конструкцій картоплезбиральних машин та їх робочих органів для руйнування грудок картопляної грядки механічними способами, а також визначені основні фактори, які впливають на міцність грудок та пошкодження бульб. На основі відомих теоретичних та експериментальних досліджень розглянуті закономірності руйнування бульбоносного пласта сепаруючими робочими органами машин із врахуванням грунтово-кліматичних умов.

Фундаментальні основи при вивченні закономірностей процесу руйнування грудок в залежності від механічних факторів викладені в працях відомих вчених: П.М. Василенка, Г.Д. Петрова, А.М. Панченка, Л.В. Погорілого, Г.А. Хайліса,

М.М. Хелемендика, В.М. Булгакова, М.Е. Мацепуро, І.Р. Розмисловича,

З.В. Ловкіса, М.І. Самокиша, І.М. Бендери, Б.М. Гевка, Р.М. Рогатинського та ін.

Значний внесок для удосконалення та розробки нових конструкцій вітчизняних картоплезбиральних машин, а також визначення їх раціональних конструктивно-технологічних параметрів зробили: М.Г. Данильченко, Р.Б. Гевко,

Я.І. Козіброда, І.Г. Ткаченко, Г.М. Смакоуз, Я.А. Павлов, В.М. Осуховський,

Р.В. Яремко та ін.

Аналіз існуючих способів механічного руйнування грудок відомими конструкціями робочих органів картоплезбиральних машин показав, що низький ступінь сепарації грунту та значні механічні пошкодження бульб виникають у зв'язку із недосконалістю грудкоподрібнювальних пристроїв, схем їх розташування в компоновках машин, а також неправильним вибором їх конструктивно-технологічних параметрів.

У другому розділі “Теоретичні дослідження процесу роботи ротаційного картоплекопача” проведено теоретичне обгрунтування запропонованої технологічної схеми роботи ротаційного картоплекопача (рис. 1).

Рис. 1. Технологічна схема роботи ротаційного картоплекопача:

1 - копіювальні котки; 2 - вертикальний ротор; 3 - сферичні диски;

4 -суцільний леміш; 5 - прутковий елеватор; 6 - опорні колеса;

7 - механізм струшування.

Умовні позначення: Вм – ширина міжряддя; hпк – глибина підкопування картопляних грядок; Vм – поступальна швидкість машини; w – кутова швидкість ротора; Vп – лінійна швидкість полотна елеватора; - ® – напрямок переміщення бульбоносного пласта; ..® – напрямок обертаннянижнього бітера; .® – напрямок обертання верхнього бітера.

При розробці нової конструкції картоплекопача для роботи на середніх та важкосуглинкових грунтах враховувались нормативні агротехнічні вимоги: повнота викопування бульб повинна досягти не менше 95%, а ступінь пошкоджень бульб – не більше 3%. При використанні у технологічній схемі машини ротаційного грудкоподрібнювального робочого органу враховували ступінь сепарації грунту на прутковому елеваторі – не менше 90 %.

З врахуванням складності виконання технологічного процесу викопування бульб через зміну вологості грунту та ступеня забур'яненості ділянки розробку конструкції машини проводили для її роботи на різних типах грунтів із гребеневим способом посадки картоплі та шириною міжрядь 70 см.

Основним грудкоподрібнювальним робочим органом машини при проведенні досліджень був представлений вертикальний ротор 2 (рис. 2), який у сполученні із сферичними дисками 3 руйнує дві сусідні картопляні грядки для подальшої сепарації вороху на прутковому елеваторі.

Рис. 2. Компонувальна схема вертикального ротора та сферичних дисків у профілі двох сусідніх картопляних грядок:

3 – сферичні диски; 8 – вал ротора; 9 – планетарний редуктор;

10 – верхній бітер; 11 – нижній бітер; 12 – дисковий ніж.

За результатами досліджень геометричних параметрів картопляної грядки та розміщення бульбоносного гнізда із врахуванням фізико-механічних властивостей грунту [5] розроблено методику розрахунку конструктивно-технологічних параметрів вертикального ротора та взаємного розміщення додаткових грудкоподрібнювальних робочих органів машини (рис. 3).

Відстань переміщення зруйнованого бульбоносного пласта від середини міжряддя визначалась за формулою:

(1)

де Вш - ширина захвату машини;

dр - діаметр ротора.

Для задовільної роботи машини повинна виконуватись умова:

Вп Ј (Вш – 2l1), (2)

де Вп - ширина сформованого валка

сферичними дисками.

Відстань між сферичними дисками та діаметром ротора визначалась за формулою:

(3)

де D - діаметр сферичного диска;

a - кут встановлення диска до

напрямку руху машини.

Для визначення впливу конструктивних та кінематичних параметрів вертикального ротора на показники роботи машини розроблено математичну модель процесу переміщення частинки грунту по робочих поверхнях лопатей.

Для вивчення кінематики руху матеріальної точки розроблено модель робочої поверхні конусоподібної лопаті, яка представлена на рис. 4.

Складено рівняння поверхні конусоподібної лопаті у нерухомій системі координат 01ху1z1, яке має вигляд:

, (4)

де t - час повороту лопаті; l0 - зміщена відстань між осями у1 та у2; w1 - кутова швидкість нижнього бітера; R - радіус основи конуса; Q - кут між твірною конуса та його основою.

Диференціальні рівняння руху частинки грунту по робочій поверхні конусоподібної лопаті вертикального ротора мають вигляд:

(5)

Отримано умову безвідривного переміщення частинки грунту по робочій поверхні конусоподібної лопаті:

(6)

де m – маса частинки грунту; g – прискорення вільного падіння.

а) б)

Рис. 4. Модель робочої поверхні конусоподібної лопаті ротора:

а – схема розміщення лопаті у просторовій системі координат Оxyz;

б – схема розміщення лопаті у прямокутній системі координат Оxy.

Умовні позначення: R0 – початковий радіус до точки; r – радіус до точки в момент відриву; r - полярний радіус; j - дугова координата, що визначає положення точки на поверхні лопаті після повороту; a - кут між полярним радіусом та віссю хўў; b - кут між полярним радіусом та початковим радіусом до точки.

Для лопаті верхнього бітера досліджено обертальний рух за годинниковою стрілкою із постійною кутовою швидкістю w2 у горизонтальній площині, що рівномірно рухається разом із машиною. Схема розташування частинки грунту на робочій поверхні циліндроподібної лопаті, зміщеної відносно вертикальної осі обертання, представлена на рис. 5.

Переміщення частинки грунту по робочій поверхні циліндроподібної лопаті розглядали як рух матеріальної точки. Для розгляду кінематики руху матеріальної точки складено рівняння поверхні циліндроподібної лопаті у нерухомій системі координат О1ху1, яке має вигляд:

(7)

де w2 – кутова швидкість верхнього бітера.

Рис. 5. Схема взаємодії частинки грунту із робочою поверхнею циліндроподібної лопаті ротора

Умовні позначення: N – нормальна сила; - сила інерції Коріоліса; –

сила тертя; - переносна сила інерції; Т – кінетична енергія матеріальної точки; Vr – радіальна швидкість точки.

Параметричні рівняння, які описують рух матеріальної точки по робочій поверхні лопаті відносно нерухомої системи О1ху1, мають вигляд:

(8)

Складено диференціальні рівняння руху частинки грунту по циліндроподібній лопаті за методом Лагранжа 2-го роду:

(9)

де fтер – коефіцієнт тертя.

Теоретично досліджено вплив поступальної швидкість машини Vм та частоти обертання ротора nр на час перебування матеріальної точки на поверхні лопаті t, абсолютне переміщення s і швидкість сходження її з поверхні лопаті Vл .

На основі складених аналітичних залежностей при підстановці числових значень із використанням ЕОМ отримано графічні залежності на рис. 6, 7.

Рис. 6. Залежності часу перебування t, абсолютного переміщення s і швидкості сходження матеріальної точки з поверхні лопаті Vл від поступальної швидкості машини – Vм

Рис. 7. Залежності часу перебування t, абсолютного переміщення s і швидкості сходження матеріальної точки з поверхні лопаті Vл від частоти обертання ротора nр

Аналіз графічних залежностей показує, що із збільшенням поступальної швидкості машини абсолютні переміщення і швидкість матеріальної точки із нульового момента часу до момента відокремлення її від поверхні лопаті зростають відповідно від 0,59 м до 0,65 м і від 1,61 м/с до 1,81 м/с. Найбільших значень абсолютного переміщення і швидкості матеріальної точки відповідно 0,67 м та

1,94 м/с досягають при поступальній швидкості машини 2,0 м/с. Час перебування матеріальної точки на поверхні лопаті із збільшенням поступальної швидкості зменшується.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” розроблена програма і методика, наведені опис конструкції експериментальної установки та вимірювального обладнання для проведення лабораторно-польових досліджень. Експериментальні дослідження проводились по програмі:–

вивчення закономірностей і характеру процесу руйнування грудок картопляної грядки робочими поверхнями лопатей вертикального ротора, взаємного розташування сферичних дисків відносно ротора, а також обгрунтування конструктивних та кінематичних параметрів грудкоподрібнювальних робочих органів машини;–

експериментальне визначення впливу поступальної швидкості машини, частоти обертання ротора, діаметра ротора, місця встановлення сферичних дисків, типу і властивостей грунту на якісні показники роботи картоплекопача;–

визначення тягового опору експериментальної установки і загальної потужності, витраченої на виконання технологічного процесу;–

встановлення працездатності вертикального ротора на грунтах, засмічених камінням та рослинними рештками;–

проведення агротехнічної оцінки роботи експериментальної установки у порівнянні із серійним картоплекопачем КСТ-1,4;–

визначення економічної та енергетичної ефективності від використання експериментальної установки у порівнянні із серійним картоплекопачем КСТ-1,4.

Для проведення експериментальних досліджень організовано спостереження за виконанням технологічного процесу методом вимірювань. При цьому проведення повних досліджень було розділено на два етапи: пошукові і основні досліди.

Пошукові досліди проводились по схемі:–

встановлення факторів, що впливають на процес сепарації грунту і руйнування грудок вертикальним ротором у сполученні із сферичними дисками та прутковим елеватором, тобто відбір основних факторів;–

визначення впливу найважливіших факторів на виконання технологічного процесу руйнування грудок картопляної грядки;–

перевірку частини методики умов проведення дослідів, та працездатність тензометричного обладнання, тарування приладів;–

визначення даних, необхідних для підрахунку кількості дослідів.

На другому етапі досліджень проведено вибір основних факторів для складання плану повнофакторного експерименту (ПФЕ) 2n.

Для проведення пошукових та основних дослідів розроблено та виготовлено експериментальну установку із набором змінних деталей, комплектом вимірювальних пристроїв, тензометричного обладнання.

Виконання технологічного процесу здійснювалось експериментальною установкою відповідно до запропонованої технологічної схеми роботи машини (див. рис. 1, 2). При переміщенні машини вздовж двох рядків картопляного поля перекочуються копіювальні котки 1. По центру міжряддя двох сусідніх картопляних грядок розташований вертикальний ротор 2, який містить лопаті верхнього 10 та нижнього 11 бітерів, що обертаються назустріч, зміщуючи дві картопляні грядки від середини міжряддя. Зруйнований бульбоносний пласт зміщується до середини міжряддя двома сферичними дисками 3, які розташовані на заданій відстані від діаметра ротора під кутом атаки до напрямку руху машини. Після руйнування картопляних грядок формується валок, який підбирається суцільним лемешем 4 та додатково сепарується на прутковому елеваторі 5 із механізмом струшування 7. Викопані бульби, рослинні рештки падають на підвішене полотно, де проводяться заміри якісних показників.

Паралельно вимірювались енергетичні показники роботи машини за допомогою тензометричного обладнання, змонтованого на тракторі. Привод робочих органів машини здійснювався одночасно від гідросистеми та ВВП трактора, у відповідності до розробленої гідрокінематичної схеми установки (рис.8).

Рис. 8. Гідрокінематична схема експериментальної установки:

1 – двигун трактора; 2 – гідронасос; 3 – розподільник; 4 – гідромотор;

5 – дросель-витратомір; 6 – клапан запобіжний; 7 – охолоджувач;

8 – фільтр масляний; 9 – резервуар масляний; 10 – вал проміжний;

11 – вал карданний; 12 – редуктор циліндричний; 13 – ротор;

14 – редуктор конічний; 15 – вал ведучий; 16 – зірочка ведуча.

Для проведення дослідів змінювали режим роботи машини, а також геометричні параметри робочих органів. Частоту обертання вертикального ротора змінювали за допомогою дроселя-витратоміра, швидкість руху машини – переключенням передач трактора, діаметр ротора – набором змінних з'єднувальних пластин лопатей нижнього та верхнього бітерів.

Крім вищеприведених змінних деталей на рамі експериментальної установки встановлювались сферичні диски у поздовжньому та поперечному напрямках за допомогою спеціальних кронштейнів, закріплених на хомутах.

Проведення ПФЕ здійснювалось за допомогою симетричного ортогонального центрально-композиційного плану другого порядку (ОЦКП).

Досліди проводено одночасно для трьох параметрів оптимізації: ступеня сепарації грунту S, ступеня пошкоджень бульб Пб, а також загальної потужності на агрегатування, Nа.

Складено рівняння регресії другого порядку, відповідно для кожного параметра оптимізації, згідно стандартної методики вибору та оптимізації параметрів.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” на першому етапі встановлено фактори, які не здійснюють значного впливу на виконання технологічного процесу. При цьому були прийняті фактори, які слід вважати як основні: поступальна швидкість машини Vм, частота обертання ротора nP, діаметр ротора dP, відстань між сферичними дисками та діаметром ротора l2.

За результатами пошукових дослідів встановлено рівні та інтервали зміни факторів, а також перевірено працездатність експериментальної установки на різних режимах роботи. На основі отриманих даних дослідів побудувано графічні залежності зміни агротехнічних та енергетичних показників від впливу вищеназваних факторів.

Основними вимірюваними параметрами були: перепад тиску масла на гідромоторі Dр, тяговий опір агрегату Rа, частота обертання ротора nр, поступальна швидкість машини Vм, які визначалися дослідним шляхом за допомогою тензометричного обладнання, встановленого на тракторі.

В результаті проведених замірів та розрахунків отримано графічні залежності відповідно для перепаду тиску масла на гідромоторі, крутного моменту на валу ротора, тягового опору агрегату від поступальної швидкості агрегату та частоти обертання вала ротора.

Аналізуючи залежність перепаду тиску масла на гідромоторі від поступальної швидкості агрегату при різних діаметрах ротора було встановлено, що найбільшого перепаду тиску Dр = 14,7 МПа, досягнуто при діаметрі ротора dр = 0,95 м у межах зміни поступальної швидкості Vм = 1,5…1,75 м/с. Крутний момент на валу ротора знаходився в межах МР = 250…270 Н.м, при частоті обертання np = 62,5…87,5 хв-1.

Тяговий опір агрегату Rа залежно від поступальної швидкості при різних частотах обертання вала ротора зменшувався від 6,75 кН до 2,2 кН.

Після вищеназваних замірів розраховано потужність на привод ротора Nр та загальна потужність на агрегатування Nа, на основі чого були побудовані графічні залежності.

У зв'язку із програмою і методикою експериментальних досліджень для отримання достовірної та повної інформації про дослідницький процес проведено основні досліди по методу повнофакторного центрально-композиційного ортогонального планування.

Згідно з методикою планування експерименту складено матрицю планування у вигляді таблиці, куди заносились результати вимірювань вищезгаданих параметрів оптимізації. Кількість вимірювань для забезпечення заданої надійності дослідів визначались по таблиці В.І. Романовського. Повторюваність дослідів була п'ятикратна.

Після обробки експериментальних даних визначено вплив вищевказаних факторів на параметри оптимізації, отримано рівняння регресії в натуральній формі:

- для ступеня сепарації грунту S

(10)

- для ступеня пошкоджень бульб Пб

(11)

- для загальної потужності на агрегатування Nа

(12)

Перевірка за критерієм Фішера одержаних залежностей дозволяє твердити, що гіпотеза про адекватність моделі при 5-ти відсотковому рівні значущості не відкидається.

Отримані рівняння вивчено методом крутого сходження на ЕОМ за допомогою розроблених програм, для чого два фактори були зафіксовано на заданому рівні, а інші змінювались. Варіант поверхні відгуку та її аналіз із зафіксованими значеннями факторів для ступеня сепарації грунту представлені на рис 9, 10.

На основі отриманих на ЕОМ набору кривих, визначали раціональні режими роботи експериментальної установки.

Рис. 9. Залежність ступеня сепарації грунту S від поступальної швидкості

машини Vм та відстані між діаметром ротора і сферичними дисками l2

(при dP = 0,825 м, nр = 75 хв-1)

Рис. 10. Аналіз поверхні відгуку ступеня сепарації грунту S

(при dP = 0,825 м, nр = 75 хв-1)

У п'ятому розділі “Інженерне проектування і економічна ефективність від використання ротаційного картоплекопача” проведено компонування конструктивно-технологічної схеми картоплекопача, викладені переваги під час проведення господарських випробувань у порівнянні із серійною машиною, приведені рекомендації по вибору раціональних конструктивно-технологічних параметрів та перспективні напрямки конструювання аналогічних картоплезбиральних машин. Розроблена методика інженерного розрахунку грудкоподрібнювальних робочих органів машини.

Приведено розрахунок техніко-економічної та енергетичної ефективності від використання ротаційного картоплекопача у порівнянні із серійною машиною

КСТ-1,4.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ та рекомендації

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у підвищенні якості збирання картоплі на середніх та важкосуглинкових грунтах за рахунок розробки ротаційних робочих органів для руйнування грудок в картоплезбиральних машинах на початку виконання технологічного процесу.

Аналіз конструкцій картоплезбиральних машин та способів руйнування грудок картопляної грядки існуючими робочими органами показав, що вони не повністю відповідають агротехнічним вимогам, характеризуються високою трудомісткістю при збиранні урожаю. Використання відомих методик щодо визначення конструктивно-технологічних параметрів сепаруючих робочих органів машин при динамічній взаємодії їх з бульбоносним пластом не дозволяє отримати конкретних результатів, які відображають вплив основних факторів на руйнування грудок.

На основі проведених комплексних досліджень, теоретичного обгрунтування та узагальнень запропонований механізований спосіб викопування бульб із поєднанням декількох технологічних операцій, розроблена та виготовлена конструкція картоплекопача із ротаційним робочим органом для руйнування грудок, який покращує сепаруючу здатність машини та зменшує трудомісткість виконання технологічного процесу.

2. Вперше складені аналітичні залежності конструктивно-технологічних параметрів вертикального ротора та взаємного розміщення додаткових грудкоподрібнювальних робочих органів картоплекопача. Визначені раціональні діапазони діаметра ротора dр=0,825…0,92 м, а також відстані між діаметром ротора та сферичними дисками l2 = 0,16…0,51 м.

3. Вперше розроблено математичну модель процесу роботи ротора, а також встановлені умови безвідривного переміщення частинки грунту по робочих поверхнях лопатей, зміщених відносно вертикальної осі обертання. При переміщенні частинки грунту по робочій циліндроподібній поверхні лопаті встановлено раціональні кінематичні параметри: тривалість взаємодії з лопатею

t = 0,26…0,34 с, абсолютна швидкість переміщення Vа=1,5…2,3 м/с, швидкість сходження з лопаті Vл=0,38…0,5 м/с.

4. Проведений розрахунок витрат енергії на привод ротора встановив, що загальна потужність ротора Nр=0,8…3,9 кВт, де кінематичний показник режиму роботи лопатей л=1,5…8,88 при Vм = 0,5…2,0 м/с, щ = 2,09…10,46 с-1. Визначено ступінь подрібнення грунту лопатями ротора в залежності від кінематичних параметрів машини, яка становила ір = 3,86…30,48% при Vм = 0,5…2,5 м/с.

5. Розроблені та виготовлені експериментальна установка і набір змінних робочих органів для проведення лабораторно-польових досліджень, в результаті яких встановлені раціональні конструктивно-технологічні параметри: діаметр ротора dр = 0,825 м, відстань між ротором та сферичними дисками l2 = 0,3 м, частота обертання ротора nр = 78,5 хв-1, поступальна швидкість Vм = 1,85 м/с.

6. В результаті проведення повнофакторного експерименту складені регресійні залежності, за якими встановлено, що найбільший вплив на параметри оптимізації мають наступні фактори: діаметр ротора та відстань між ротором та сферичними дисками. На основі аналізу поверхонь відгуку оптимізовані наступні параметри: ступінь сепарації грунту Sгр=93,5%, ступінь пошкоджень бульб Пб=0,97%, загальна потужність на агрегатування Nа=18,27 кВт, при встановлених значеннях факторів: nр=77,0 хв-1, Vм=2,2 м/с, dр=0,825 м, l2=0,3 м. Максимальна розбіжність між результатами теоретичних та експериментальних досліджень

при визначенні конструктивно-технологічних параметрів картоплекопача не

перевищувала ±15%.

7. Проведені господарські випробування підтвердили переваги експериментального картоплекопача у порівнянні з існуючим. При цьому ступінь сепарації грунту становила S=91,4%, що на 23% вище від базового, а ступінь пошкоджень бульб - 1,14%, що на 5,0% нижче від базового. Розроблені рекомендації для вибору раціональних режимів роботи ротаційного картоплекопача і методика інженерного розрахунку конструктивно-технологічних параметрів грудкоподрібнювальних робочих органів.

8. Запропоновані перспективні напрямки удосконалення ротаційних робочих органів для руйнування грудок картопляної грядки, здатних працювати при різних грунтово-кліматичних умовах. Технічна новизна розробки підтверджена Деклараційним патентом України на винахід. Проведений розрахунок техніко-економічної та енергетичної ефективності від використання ротаційного картоплекопача, у якому річний економічний ефект становить 1115,3 грн, а економія питомих енергетичних витрат складає 28712,8 МДж/га.

список опублікованих праць

1. Бончик В.С. Обгрунтування геометричних параметрів та взаємного розташування грудкоподрібнюючих робочих органів ротаційного картоплекопача // Сільськогосподарські машини: Збірник наукових статей Луцького державного технічного університету. Вип. 5. – Луцьк. – 1999. – С. 8 - 13.

2. Бончик В.С. Доцільність використання ротаційних грудкоподрібнюючих органів в картоплезбиральних машинах для роботи на важких грунтах // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Том VІ. – Київ. – НАУ. – 1999. – С. 50 – 51.

3. Бончик В.С. Визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів ротаційного картоплекопача // Сільськогосподарські машини: Збірник наукових статей Луцького державного технічного університету. Вип. 6 – Луцьк. – 2000. – С. 7 – 13.

4. Бончик В.С., Самокиш М.І., Бендера І.М. До вибору кінематичних параметрів криволінійної лопатки із вертикальною віссю обертання для руйнування двох сусідніх картопляних грядок // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Том V. – Київ. – НАУ. – 1999. – С. 37 – 40.

5. Бончик В.С., Самокиш М.І., Бендера І.М., Фірман Ю.П. Результати експериментальних досліджень геометричних параметрів картопляної грядки при роботі картоплезбиральних машин // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Том VІІІ. – Київ. – НАУ. – 2000. – С. 370 – 374.

6. Устройство для удаления ботвы корнеклубнеплодов на корню: А.с. 1678233 СССР, МКИ А 01 D 23 /00/ В.С. Бончик, М.И. Самокиш, З.В. Ловкис,

И.Н. Бендера, Д.В. Табенский (СССР). - №4751789 / 15. Заявлено 08.09.89; Опубл. 23.09.91, Бюл. № 35 – 4 с.

7. Пат. 28501 А Україна, МКВ А 01 D 17 / 00. Пристрій для подрібнення грудок картопляної грядки / Бончик В.С., Самокиш М.І., Бендера І.М., Мартиненко В.Я., Павлов Я.А., Яремко С.Р. (Україна). - № 97052339; Заявл. 21.05.97; опубл. 29.12.99, Бюл. №8. – 3 с.

8. Федірко П.П., Бендера І.М., Дєвін В.В., Бончик В.С. Обгрунтування форми лемеша картоплезбиральної машини // Тези доповідей наукової конференції професорсько-викладацького складу. – Кам'янець-Подільський: КПСГІ. – 1993. –

С. 225 – 226.

9. Бончик В.С., Самокиш М.І., Бендера І.М. Технологія виготовлення ротаційних робочих органів картоплезбиральних машин // Тези доповідей четвертої науково-технічної конференції “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- та приладобудуванні.” – Тернопіль: ТДТУ. – 2000. – С. 55.

АнотаціЇ

Бончик В.С. Розробка та обгрунтування параметрів ротаційного картоплекопача. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – сільськогосподарські машини. Луцький державний технічний університет. Луцьк, 2001.

У дисертаційній роботі представлені наукові дослідження, які направлені на підвищення сепаруючої здатності картоплезбиральних машин шляхом конструювання грудкоподрібнювальних робочих органів, встановлених на початку виконання технологічного процесу викопування бульб. Обгрунтовано конструктивно-технологічні параметри розробленої конструкції картоплекопача. Приведені теоретичні залежності для визначення впливу конструктивних, кінематичних і динамічних параметрів ротаційного робочого органу із вертикальною віссю обертання на процес руйнування картопляної грядки. Встановлено основні фактори, які найбільше впливають на якісні та енергетичні показники роботи машини. Розроблено рекомендації для вибору раціональних режимів роботи ротаційного картоплекопача.

Ключові слова: ротаційний робочий орган, картоплезбиральна машина, руйнування, грудка, раціональні режими роботи.

Бончик В.С. Разработка и обоснование параметров ротационного картофелекопателя. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11– сельскохозяйственные машины.– Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2001.

Диссертационная работа направлена на повышение сепарирующей способности картофелеуборочных машин на основании разработки комкоизмельчающих рабочих органов, установленных в начале выполнения технологического процесса выкапывания клубней.

На основании проведённого анализа конструктивно-технологических схем картофелеуборочных машин, а также известных конструкций рабочих органов для разрушения комков картофельной грядки механическими способами, предложена технологическая схема работы ротационного картофелекопателя.

За результатами исследований геометрических параметров картофельной грядки и размещения клубненосного гнезда с учётом физико-механических свойств почвы, разработано методику расчёта конструктивно-технологических параметров вертикального ротора, а также взаимного расположения дополнительных комкоизмельчающих рабочих органов машины.

Для определения влияния конструктивных и кинематических параметров вертикального ротора на качественные и энергетические показатели работы машины разработано математическую модель процесса перемещения частицы почвы по рабочих поверхностях лопастей, смещённых относительно вертикальной оси вращения. Установлено зависимости время пребывания абсолютного перемещения, скорости схода частицы почвы из поверхности лопасти ротора от его кинематических и конструктивных параметров. Произведены расчёты мощности на привод ротора в зависимости от частоты вращения при разных поступательных скоростях машины. Теоретически установлена степень измельчения почвы лопастями ротора в зависимости от кинематических параметров машины.

На основании теоретических исследований разработана техническая документация и изготовлена экспериментальная установка, а также комплект сменных деталей и измерительных устройств.

За результатами предварительных исследований установлены факторы, которые имеют наибольшее влияние на работу картофелекопателя, проверена его работоспособность на разных режимах работы, на основании чего получены графические зависимости.

В связи с программой и методикой экспериментальных исследований для получения достоверной и полной информации об исследовательском процессе проведены основные исследования по методу многофакторного центрально-композиционного ортогонального планирования.

На основании проведённого многофакторного эксперимента получены регрессивные зависимости, по которым установлено, что наибольшее влияние на степень сепарации почвы имеют следующие факторы: диаметр ротора и расстояние между ротором и сферическими дисками.

Проведённые хозяйственные испытания подтвердили преимущества экспериментального картофелекопателя по сравнению с серийным. Разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов работы ротационного картофелекопателя и методика инженерного проектирования конструктивно-технологических параметров комкоизмельчающих рабочих органов. Определены перспективные направления усовершенствования ротационных рабочих органов для разрушения комков картофельной грядки, способных работать в разных почвенно-климатических условиях. Техническая новизна разработки защищена патентом Украины на изобретение.

Ключевые слова: ротационный рабочий орган, картофелеуборочная машина, разрушение, комок, рациональные режимы работы.

Bonchyk V.S. Elaboration and substantiation of parameters of rotary potato

digger. – Manuscript.

The thesis for a scientific degree of candidate of engineering sciences in speciality 05.05.11 - agricultural machinery. Lutsk State Engineering University, Lutsk, 2001.

The research presents scientific investigations concerning the increase of separating ability of a potato digger by designing of clod crushers installed at the beginning of tuber digging technological process.

The constructive and technological parameters of the designed potato digger have been substantiated in the research. We present the theoretical dependences for definition of the constructive, cinematic and dynamic influences of a rotary work organ with vertical axle on the destroying process of a potato bed. Main factors mostly influencing qualitative and energetic indexes of the machine have been determined. The recommendations on choosing of rational working regime are worked out.

Key words: rotary work organ, potato digger, destruction, clod, rational working regime.