імені Івана Пулюя

ЗАКАЛОВ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 631.358.42

РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ ТА ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КОЛИВНИХ ВИКОПУЮЧИХ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ЛЕМІШНОГО ТИПУ БУРЯКОЗБИРАЛЬНИХ МАШИН

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ясній Петро Володимирович

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри матеріалознавства, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Мартиненко Володимир Якимович

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

професор кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Волоха Микола Петрович

Інститут цукрових буряків Української аграрної академії наук, м.Київ,

провідний співробітник лабораторії механізації виробництва цукрових буряків.

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет,

кафедра сільськогосподарських машин.

Захист відбудеться “___”________2001 року о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м.Тернопіль, вул. Руська, 56, навчальний корпус 2, ауд. 79.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м.Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “___”__________2001 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Попович П.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення конкурентоспроможності виробленого в Україні цукру на внутрішньому й зовнішньому ринках та підвищення ефективності вітчизняного виробництва кристалічної фруктози є актуальними завданнями сьогодення. В Україні єдиним джерелом для виробництва цукру є цукрові буряки. Тому розробка нових і подальше вдосконалення існуючих технічних засобів виробництва цукрових буряків на всіх його етапах залишається в центрі уваги вітчизняних та зарубіжних науково-технічних спеціалістів, як одне з найважливіших завдань.

Збирання цукрових буряків є вирішальним етапом технологічного процесу їх виробництва і на даний час залишається одним з найбільш трудомістких та енергозатратних в сільському господарстві. При досягнутому рівні розвитку бурякозбиральної техніки якість збирання цукрових буряків в значній мірі залежить від вологості та твердості ґрунту, урожайності плантації, рельєфу поля, засміченості посівів, діаметра й розміщення коренеплодів в лінії рядка, бокових відхилень коренеплодів від осьової лінії рядка і виступання їх головок над рівнем ґрунту. Сучасні вітчизняні коренезбиральні машини РКМ-6, КС-6Б та інші, під час роботи на важких ґрунтах, недостатньо ефективно руйнують зв’язки коренеплодів із ґрунтом, в результаті чого погіршується відділення домішок, збільшуються втрати та пошкодження коренеплодів. Тому, проблема зниже-ння питомих ресурсозатрат в процесі збирання коренеплодів цукрових буряків, яка пов’язана із зменшенням їх втрат, пошкоджень і забрудненості, зменшення матеріаломісткості та енерговитрат на виконання технологічного процесу є особливо актуальною на сучасному етапі розвитку вітчизняної бурякозбиральної техніки.

Одним із напрямків, що дозволяють покращити показники процесу викопування корене-плодів цукрових буряків, є застосування коливної дії на шар ґрунту під час збирання цукрових буряків і перспективним, з цієї точки зору, є використання лемішно-коливних викопуючих робочих органів (ВРО) бурякозбиральних машин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до цільової комплексної програми “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів, машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів України 7.03.1996 року та держбюджетних тем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя №0100U000783 “Теоретичне обґрунтування технологічних процесів викопування і сепарації коренеплодів” і № 0199U003997 “Моделювання технологічних процесів та транспортних систем сільськогосподарських машин”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення агротехнічних показників якості та ефективності викопування коренеплодів цукрових буряків на основі вдосконалення конструкції й обґрунтування основних технологічних, кінематичних і конструктивних параметрів лемішно-коливних викопуючих робочих органів бурякозбиральних машин.

Для досягнення мети в роботі поставлені й розв’язуються такі задачі:

- розробити математичну модель динаміки руху коливних викопуючих робочих органів бурякозбиральних машин із врахуванням їх конструктивно-кінематичних параметрів;

- розробити нову конструкцію коливного викопуючого органу лемішного типу бурякозбиральних машин і визначити основні його конструктивні, кінематичні й технологічні параметри;

- розробити механіко-математичну модель руху вороху коренеплодів цукрових буряків в міжлемішному просторі коливних копачів із врахуванням напружено-деформованого стану системи “коренеплід-грунт” під дією технологічних навантажень;

- виготовити дослідний зразок і встановити вплив конструктивно-кінематичних параметрів викопуючих робочих органів коливної дії на показники якості процесу викопування цукрових буряків;

- провести польові випробування нового лемішного викопуючого робочого органу для визначення основних агротехнічних показників якості виконання технологічного процесу викопування цукрових буряків;

- провести порівняльну господарську перевірку якості роботи серійної та модернізованої коренезбиральних машин;

- визначити економічну ефективність від використання нового лемішного викопуючого органу.

Об’єкт досліджень. Технічні засоби для виконання технологічного процесу викопування цукрових буряків.

Предмет досліджень. Коливний викопуючий робочий орган лемішного типу.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводились з використанням положень теоретичної механіки, методів диференціальних обчислень, математичного моделювання й прикладного програмування, елементів теорії суцільного середовища. Експериментальні дослідження проводились на спеціально розробленій лабораторно-польовій установці із застосуванням набору змінних елементів для визначення режимів роботи машини. Проведення дослідів здійснювалось із використанням математичного планування багатофакторних експериментів, математичної статистики та теорії ймовірності.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці механіко-математичної моделі процесу викопування цукрових буряків у вигляді диференціальних рівнянь, розв’язок яких дозволив отримати аналітичні залежності для визначення конструктивно-кінематичних параметрів викопуючих робочих органів лемішного типу. Вперше на основі спільного розв’язку рівнянь рівноваги елементу ґрунту, реологічної моделі та рівнянь зв’язку напружень й деформацій розроблено апроксимаційно-деформаційну модель руху вороху в міжлемішному просторі, для експериментальної перевірки адекватності якої запропоновано нову методику з використанням спеціальних елементів на робочій поверхні лемешів. Експериментально встановлено залежності зміни забрудненості, пошкоджень і втрат коренеплодів від вологості ґрунту, амплітуди й частоти коливань вимушеної сили лемешів нового типу, на основі яких обґрунтовано раціональні конструктивно-кінематичні параметри коливних ВРО лемішного типу.

Практичне значення отриманих результатів. За результатами теоретичних досліджень розроблено конструкцію лемішно-коливного викопуючого органу бурякозбиральних машин із пружним шатуном, технічна новизна якого підтверджується деклараційним патентом України на винахід 3705У А. Розроблено методику й програмне забезпечення для обґрунтування технологічних, конструктивних і кінематичних параметрів викопуючих робочих органів вібраційної дії. Розроблено конструкторську документацію та виготовлено дослідні взірці викопуючого пристрою, які апробовані на Тернопільській сортовипробувальній станції й передані в СКБ ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”. Теоретичні обґрунтування, методика та результати експериментальних досліджень процесу викопування коренеплодів лемішно-коливними ВРО можуть бути використані в проектно-конструкторських організаціях для створення коренезбиральних машин.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень. Достовірність отриманих наукових результатів підтверджується використанням сучасних методик математичного моделювання, експериментальних методів дослідження, польовими випробуваннями та впровадженням результатів роботи. Сформульовані наукові положення, висновки й рекомендації є відповідними об’єктивній реальності, а дані експериментальних досліджень – достатніми.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в працях [3…8], виконаних у співавторстві: в працях [3,6] здобувачу належить розробка методик та участь у проведенні експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей характеристик системи “коренеплід цукрового буряка-ґрунт” і агротехнічних показників викопування цукрових буряків для визначення раціональних параметрів запропонованого робочого органу, аналіз отриманих результатів та їх опрацювання, формулювання висновків; в праці [4] – аналіз і патентні дослідження викопуючих робочих органів сучасних бурякозбиральних машин, запропоновано їх класифікацію; в праці [5] – математична постановка задачі й граничних умов до математичної моделі процесу викопування цукрових буряків лемішно-коливними ВРО; в праці [7] – постановка задачі та алгоритм побудови точного аналітичного розв’язку математичної моделі стану ґрунту в руслі лемішних копачів; в праці [8] – конструктивні схеми пружного шатуна й копача.

Апробація роботи. Основні положення та результати досліджень доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы и перспективы создания свеклоуборочной техники” (м.Вінниця, 1996р.), другій, третій, четвертій і п’ятій науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” (м.Тернопіль, 1995-2001рр.), на 1-й Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (НАУ України, м.Київ, 2000р.). Робота доповідалась на засіданнях науково-технічної ради ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” (1999-2001рр.), на розширеному засіданні кафедри матеріалознавства та на засіданні міжкафедрального наукового тематичного семінару №3 “Сільськогосподарські машини” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2001р.)

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 19 друкованих праць, в тому числі 10 статей в наукових виданнях (7-у фахових, з яких дві – без співавторів) та 9 – у збірниках тез доповідей наукових конференцій, патент України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури, що містить 149 джерел, 7 додатків. Робота викладена на 177 сторінках машинописного тексту та містить 58 рисунків і 13 таблиць. Основний зміст роботи викладено на 144 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено суть і обґрунтовано актуальність роботи, зазначено зв’язок із науковими програмою і темами, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, сформульовано мету роботи й основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз існуючих типів викопуючих органів, напрямків теоретичних і експериментальних досліджень бурякозбиральних машин. Вагомий вклад у вивчення процесу викопування коренеплодів цукрових буряків, розвиток теорії викопування коренеплодів і створення нових робочих органів бурякозбиральних машин внесли відомі вчені: П.М.Василенко, Л.В.Погорілий, М.В.Татьянко, П.В.Савич, В.М.Булгаков, В.С.Глуховський, В.А.Хвостов, А.М.Панченко, Б.М.Гевко, М.М.Хелемендик, А.М.Мазуренко, Р.Б.Гевко, В.Я.Мартиненко, Ю.Б.Аванесов, В.В.Брей, Я.І.Козіброда, М.П.Волоха та інші.

Аналіз відомих досліджень показав, що якість збирання коренеплодів сучасними бурякозбиральними машинами залишається невисокою, а самі бурякозбиральні машини, з огляду на недосконалість робочих органів для викопування коренеплодів, є енергомісткими та недостатньо продуктивними. Цим зумовлена, зокрема, необхідність у вдосконаленні існуючих й розробці нових технічних засобів і прийомів викопування коренеплодів, які б покращили якісні показники технологічного процесу збирання цукрових буряків.

Одним із напрямків підвищення технологічного рівня бурякозбиральних машин є впровадження нових викопуючих органів, які б забезпечили зменшення пошкодження та втрат коренеплодів. Перспективним, з цієї точки зору, є використання вібраційного (коливного) впливу на шар ґрунту, зокрема, локальної дії на коренеплід в зоні рядка. Аналіз відомих досліджень використання викопуючих органів коливної дії в процесі вилучення коренеплодів цукрових буряків із ґрунту показує, що цей прийом дозволяє значно інтенсифікувати процес викопування й покращити показники якості виконання технологічного процесу й зменшити енерго– та матеріаломісткість технічних засобів збирання коренеплодів.

На основі проведеного аналізу відомих викопуючих робочих органів бурякозбиральних машин розроблено їх класифікацію.

У другому розділі розглянуто теоретичні передумови викопування коренеплодів цукрових буряків за фізико-механічними властивостями, наведено методи вирішення задач і розроблено загальні методики проведення теоретичних і експериментальних досліджень. Досліджено фізико – механічні властивості системи “коренеплід-грунт”, які необхідні для теоретичних досліджень викопування коренеплодів цукрових буряків. До них відносяться: розміщення коренів в рядку, їх розмірні характеристики, фізико – механічні характеристики зв’язків коренів із ґрунтом. Експериментальні дослідження для визначення вказаних характеристик проведено в польових умовах на буряках, які були вирощені з найпоширеніших одноросткових сортів, характерних для зони вирощування Західної України.

За результатами досліджень отримано регресійні залежності в кодових змінних між діаметром коренеплодів і їх технічною довжиною

y = 1.69 x + 49.8, (1)

та відхилення коренеплодів від осьової лінії рядка й віддалі між ними

y = 1190 / x - 1.72. (2)

Для розробки та дослідження нових викопуючих органів проведено дослідження твердості, щільності й абсолютної вологості ґрунту в зоні росту коренеплодів. Ґрунт в рядку росту цукрових буряків на глибині 50…250 мм має статичну неоднорідність за степенем ущільнення та тріщиноутворення. Для ґрунтово-кліматичних умов Західної України досліджено процес вилучення коренеплоду вертикальною силою P залежно від глибини підкопування h і від вертикального його переміщення z.

У третьому розділі розроблено механіко – математичну модель руху лемішно-коливних ВРО з пружним шатуном бурякозбиральних машин.

Більшість типів вібраційних викопуючих робочих органів представляють собою систему з примусовим приводом, характер руху якого повністю визначається приводом. Найчастіше використовуються ексцентрикові або кривошипно-шатунні приводи. Ексцентриковий привід раціонально використовувати в низькочастотних коливних системах. Цей тип здатний створювати великі вимушені сили при невисоких частотах коливань. Приводи з жорстким шатуном забезпечують постійну амплітуду коливань робочого органу для всіх діапазонів частот роботи

Рис.1. Розрахункова схема дії сил при викопуванні коренеплодів цукрових буряків:

1- важіль; 2- важіль; 3- ексцентрик; 4- пружинний шатун; 5- леміш | машини. Такого типу приводи дозволяють змінювати амплітуду коливань в широкому діапазоні, й таким чином, впливати на якісні показники процесу викопування.

Для дослідження роботи лемішно-коливних органів із пружним шатуном розглянуто розрахункову схему дії сил в процесі викопування коренеплодів (рис.1).

Математична модель процесу викопування коренеплодів будувалась на основі рівнянь Лагранжа II-го роду та загальноприйнятих припущеннях для дослідження механіки машин. В нашому випадку, сумарна кінетична енергія рівна сумі кінетичних енергій кожного елемента пристрою.

Узагальнена сила визначалась з умови, що її робота на можливому переміщенні дШ дорівнює сумі робіт всіх сил, що діють на кожний елемент ВРО.

За узагальнену координату взято кут відхилення важеля лемешів від положення рівноваги. Тоді диференціальне рівняння руху лемешів для даної схеми набуває вигляду

(3)

де G – приведена вага лемеша, Н;

G1 i G2 – відповідно вага першого й другого важелів, Н;

l1 i l2 – відповідно довжини першого й другого важелів, м;

С – жорсткість пружини, Н/м;

R – радіус ексцентрикового валу, м;

e – ексцентриситет привідного валу, м;

Pв – сила витягування коренеплоду, Н;

Pт – сила тяги, Н;

ц0 – кут статичної рівноваги першого важеля, 1/град;

щ – колова частота вимушених коливань, рад/с.

За результатами обчислень на ЕОМ у програмі MathCAD побудовано графік зміни в часі кутового переміщення поверхонь лемешів (рис. 2), який носить гармонійний характер із

Рис.2. Зміна кутового переміщення важеля лемешів в часі | найбільшою кутовою амп-літудою 0,0825 рад.

Проведене моделю-вання на ЕОМ дало змогу визначити залежності куто-вих переміщень лемешів від конструктивних і кінематичних параметрів динамічної системи ви-копуючого органу і, тим самим, отримати такі зна-чення, які суттєво покра-щують технологічний про-цес викопування корене-- | плодів. Всі одержані таким чином залежності мають нелінійний характер (рис. 3). Так, наприклад, значення кутової амплітуди коливань лемешів із збільшенням жорсткості пружного елементу зростають. Найбільші значення кутової амплітуди коливань спостерігаються при частоті коливань вимушеної сили в діапазоні 500…700 кол/хв (8,33…11,6Гц). Максимальні значення кутової амплітуди коливань для привідного вала з м досягаються при довжині важіля лемеша м (при кол/хв).

Рис.3. Залежність кутової амплітуди коливань шmax важеля лемешів від жорсткості пружини C(1), довжини важеля l2 (2), частоти коливань вимушеної сили f (3) і величини ексцентриситету e (4)

Основним і визначальним елементом викопуючих робочих органів є робоча поверхня лемеша, яка безпосередньо діє на вирізаний шар ґрунту. Таких поверхонь є дві, що симетрично розміщені відносно лінії рядка (рис.4).

Рис.4. Розрахункова схема для визначення нормальних зусиль, які діють на поверхню лемеша

Технологічний процес витягування коренеплодів залежить від характеру взаємодії робочих поверхонь копача з середовищем і визначається, перш за все, геометричними параметрами розміщення робочих органів і характером їх руху.

Агрегат зв’язаний з рухомою системою координат, вісь ОХ якої направлена уздовж рядків за напрямком руху. Для спрощення розглянуто леміш прямокутної форми розміром сb. Якщо розмістити леміш паралельно площині ОХZ на відстані а від центра рядка (положення ABCD на рис. 4), то робоче положення отримується повертанням його спочатку навколо сторони АВ на кут , потім навколо сторони ВС' на кут .

Для дослідження процесу витягування коренеплодів цукрових буряків визначено нормальну силу, яка діє на весь елемент ґрунту в руслі. Вона складається з двох складових: нормальної сили N1, яка виникає внаслідок дії лемеша як двогранного клина під час поступального руху, та нормальної сили N2, яка виникає внаслідок коливної дії копачів.

Нормальне зусилля N1 дорівнює:

(4)

Додаткова нормальна сила N2

(5)

де Е – модуль пружності ґрунту, Па;

К – коефіцієнт відношення дійсної площі лемеша до теоретичної;

h – глибина ходу копачів, м;

х1 і х2 – початкова та кінцева координата робочого русла, м;

с – довжина лемеша, м;

S0 - найменша віддаль між лемешами, м;

, , d=cosб(S0/2+csinб)/tgг – параметри моделі.

Отже, на елемент ґрунту в руслі, який знаходиться в межах двох перерізів х = х1 і х = х2 зі сторони робочої поверхні викопуючих органів діють нормальні сили, кожна з яких рівна

, (6)

горизонтальна проекція якої є основною складовою для визначення сили тяги , а вертикальна проекція – для визначення сили викопування коренеплодів .

На основі складених аналітичних залежностей з врахуванням числових значень отримано залежності складових нормальних сил дії поверхні лемішних копачів на ґрунт від їх конструктивних, кінематичних і технологічних параметрів, які наведено на рис.5.

а) |

б)

в) |

г)

Рис. 5. Вплив конструктивних, кінематичних і технологічних параметрів на складові нормальних сил дії поверхні лемішних копачів на грунт:

а- залежність зміни складової нормальних зусиль від частоти коливань вимушеної сили f;

б- залежність зміни складових нормальних зусиль i від кута розкриття лемешів ;

в- залежність зміни складових нормальних зусиль i від кута нахилу площини лемешів ;

г- залежність зміни складових нормальних зусиль i від глибини підкопування коренеплодів .

Аналіз графічних залежностей показує, що величина максимальних нормальних зусиль N2, які виникають під дією вимушеної сили, носить нелінійний характер. В діапазоні частоти коливань 200…500 кол/хв (3,33…8,33 Гц) їх величина різко зростає, а в діапазоні 500…1500кол/хв (8,33…25 Гц) є практично незмінною.

Аналіз залежностей максимальних нормальних зусиль від кута нахилу площин лемешів і від кута розкриття лемешів показує, що вони є нелінійними. Значення складової нормальних зу-силь N1 зростають із збільшенням кута , а значення складової N2 відповідно плавно зменшуються. Складова нормальних зусиль N2 різко збільшує свої значення із збільшенням кута нахилу .

Теоретичні дослідження залежності змін нормальних зусиль від глибини підкопування коренеплодів показують, що вони змінюються близько до параболічної залежності, тобто із збільшенням глибини різко збільшують свою величину.

Для дослідження руху коренеплодів в міжлемішному просторі побудовано апроксимаційно-деформаційну модель напружено – деформованого стану ґрунту в даному просторі.

Процес деформації ґрунту розглядався в базовій системі координат OXYZ, яка зв’язана з машиною додатковою системою координат O1X1Y1Z1 і відповідно з лемешем копача та супутньою О1аb, яка зв’язана з ґрунтом (рис.6).

Рис.6. Розрахункова схема коливного копача лемішного типу

Тоді кожна частинка ґрунту в міжлемішному просторі рухається за траєкторією, яка в системі OX1Y1Z1 визначається диференціальною залежністю за умови її нерозривності

, (7)

де b – координата розміщення вибраного шару ґрунту по висоті, м;

S0 – товщина клину ґрунту між робочими поверхнями лемешів, м;

– горизонтальний кут нахилу лемешів до осі рядка, град;

– вертикальний кут нахилу поверхні лемешів, град;

с, – параметри, що враховують розташування рухомого деформованого шару відносно нейтральної лінії, м;

ш1 – кут нахилу площини, утвореної ріжучими кромками, град;

и - об’ємна деформація.

Характер руху ґрунту з коренеплодами (вороху) в міжлемішному просторі наведено на рис.7.

Рис.7. Траєкторія руху вороху цукрових буряків в міжлемішному просторі:

1 – траєкторія руху коренеплоду; 2…6 – траєкторія шарів ґрунту; 7…11 – теоретична траєкторія шарів ґрунту без врахування його об’ємної деформації

За визначеними деформаціями розроблена модель напружено – деформованого стану ґрунту в міжлемішному просторі копачів дозволяє одержати всі компоненти напружень та деформацій за умови розгляду ґрунту як ізотропного середовища з жорстко-пластичною реологічною моделлю, в якій тензор напружень пропорційний тензору швидкостей деформацій.

Траєкторія коренеплоду буряка в міжлемішному просторі визначено з умови його нестискування

, (8)

де параметр b розміщення перерізу коренеплоду з максимальним діаметром dmax визначається за залежністю

. (9)

В результаті експериментальних досліджень встановлено, що лінії руху вороху в міжлемішному просторі змінюються за залежністю, близькою до степеневої. Тоді, апроксимуючи степеневою залежністю лінії руху між параметрами b та Z0, отримуємо функцію, що описує траєкторію руху

, (10)

де h – початкова глибина ходу лемеша, м;

Н – глибина ходу лемеша з врахуванням підняття ґрунту, м;

n – параметр моделі, для експериментального лемеша n=3.

У четвертому розділі розроблено програму й методику експериментальних досліджень, наведено опис і технічну характеристику установки для проведення лабораторно-польових досліджень лемішно – коливних викопуючих органів. Експериментальні дослідження проводились з метою визначення ефективності й працездатності викопуючих органів, перевірки аналітичних залежностей, встановлення параметрів, що уточнюють і доповнюють теоретичні дослідження розробленого лемішно – коливного ВРО (рис. 8).

Рис.8. Лемішно-коливний робочий орган з пружним шатуном (патент 37054А України):

1 - леміш; 2 - важіль; 3 - ексцентрик; 4 - пружний шатун

За отриманими експериментальними показниками втрат, пошкоджень і забрудненості коренеплодів побудовано емпіричні й теоретичні лінії регресії (рис.9), що відображають взаємоєзв’зок між вологістю ґрунту та агротехнічними показниками виконання технологічного процесу.

Рис.9. Залежності зміни агротехнічних показників від вологості ґрунту W:

1 - втрат коренеплодів; 2 – пошкодження коренеплодів; 3 - забрудненості коренеплодів

Коефіцієнти кореляції r > 0,95 вказують на те, що лінії для вирівнювання підібрані правильно й результати вирівнювання задовільні. Перевірка одержаних залежностей за F-критерієм Фішера дозволяє стверджувати, що гіпотеза про адекватність моделі на 5-ти відсотковому рівні значущості не відхиляється. Відповідно до програми й методики експериментальних досліджень для отримання достовірної та повної інформації про дослідницький процес проведено основні досліди за методом математичного планування експерименту. Згідно з методикою планування експерименту складено план - матриці, куди заносились результати вимірювань. За результатами експериментальних досліджень отримано регресійні залежності у вигляді повних квадратичних поліномів в кодових змінних, які відображають залежності втрат і забрудненості коренеплодів від частоти та амплітуди вимушеної сили:

-

= 2,44-0,55x1-0,73x2-0,44 x1 x2+0,18 x12; (11)

-

= 24,59+7,32 x1-13,85 x2-7,075 x1 x2+6,32 x22, (12)

де x1 – частота коливань вимушеної сили, , Гц;

x2 – амплітуда коливань вимушеної сили, А, мм.

За результатами розрахунків на основі отриманих рівнянь регресій побудовано графічні залежності (рис.10,11).

Рис.10. Залежність втрат коренеплодів цукрових буряків від частоти і амплітуди коливань вимушеної сили |

Рис.11. Залежності забрудненості коренеплодів цукрових буряків від частоти і амплітуди коливань вимушеної сили

Для експериментального визначення траєкторії руху вороху в міжлемішному просторі копачів проведені лабораторно – польові дослідження з спеціально розробленими зразками лемешів (рис.12).

Рис.12. Схема лабораторного лемеша:

1 – леміш; 2 – прапорець-флюгер | Лабораторний леміш складається з самого лемеша 1, на робочій поверхні якого виконані отвори діаметром 8 мм із кроком розміщення 40 мм. В отвори встановлено прапорці-флюгери 2, які під час переміщення лемешів у процесі викопування коренеплодів встановлюються в положення, відповідно до напрямку руху вороху, тобто відтворюють його траєкторію. Перед кожним дослі-дом прапорці-флюгери 2 на лемешах встановлюва-

лися в горизонтальному положенні. Нові положення прапорців-флюгерів, які одержано в результаті процесу викопування коренеплодів, фіксуються за допомогою гумових шайб, що виконують роль гальмівних елементів. За результатами експериментальних досліджень побудовано криві, за якими уточнено параметри математичної моделі руху вороху в міжлемішному просторі.

У п’ятому розділі відображено результати господарських випробувань і здійснено економічну оцінку коренезбиральної машини МКП-6, обладнаної лемішно – коливними викопуючими органами з пружним шатуном, які проводились відповідно до ДСТУ 2258-93. Показники якості роботи співставлялись із серійною машиною і відповідно до агровимог ОСТ 70.8.6.-74. Визначення умов випробувань проводилось згідно ГОСТ 7496-84 “Сільськогосподарська техніка. Методи визначення умов випробувань”. Умови порівняльних випробувань серійної і модернізованої коренезбиральних машин МКП-6 були типовими для зони Тернопільської сортовипробувальної станції у 2000 році. За час проведення досліджень експериментальною коренезбиральною машиною МКП-6, обладнаною лемішно-коливними викопуючими органами з пружним шатуном, зібрано цукрових буряків на площі близько 200 га . В результаті проведених випробувань встановлено, що забрудненість коренеплодів цукрових буряків, зібраних експериментальною машиною МКП-6 з робочою швидкістю руху 1,85 м/с становить 6,7%, що на 3,1 % нижче того ж показника для аналогічної серійної машини, втрати коренеплодів становили 0,9 % проти 1,4 % для серійної машини.

Розрахунок показників економічної ефективності застосування коренезбиральної машини з лемішно-коливними робочими органами з пружним шатуном проведено у порівнянні з серійною машиною МКП-6, за результатами одержаних розрахунків визначено річний економічний ефект, який становить 7996 грн. при сезонному наробітку 200 га.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1.

Аналіз відомих досліджень технічних засобів для викопування коренеплодів та їх конструктивно-кінематичних параметрів показав, що якість збирання цукрових буряків сучасними бурякозбиральними машинами залишається недостатньо високою, а самі бурякозбиральні машини з огляду на недосконалість їх викопуючих робочих органів є матеріало- і енергомісткими. Викопуючі робочі органи бурякозбиральних машин, основними типами яких є лемешні, дискові та вильчасті копачі, за весь час їх застосування не зазнали вагомих конструктивних змін.

2.

3.

4.

5. За результатами експериментальних досліджень і польових випробувань досягнуті такі технологічні показники якості виконання технологічного процесу розробленим викопуючим органом: загальні втрати коренеплодів становлять 0,9%, забрудненість-6,7% і пошкодження -4,9%.

6. Проведені порівняльні господарські випробування підтвердили перевагу лемішно – коливних викопуючих органів перед серійними. Так, втрати коренеплодів зменшились на 0,5 %, забрудненість – на 3,1 %, а пошкодження – на 1,3 %.

7. Розроблений викопуючий орган із пружним елементом, що дозволяє регулювати величину вимушеної сили відповідно до ґрунтово-кліматичних умов збирання коренеплодів цукрових буряків (технічна новизна розробки підтверджена патентом України на винахід), є працездатним і перспективним в напрямку вдосконалення викопуючих робочих органів. Польові випробування експериментальних зразків показали, що прямі експлуатаційні затрати зменшились на 4,7 % порівняно з базовим варіантом.

8. Річний економічний ефект від впровадження запропонованого викопуючого робочого органу на одній бурякозбиральній машині, розрахований на основі одержаних показників якості викопування коренеплодів цукрових буряків, при сезонному наробітку 200 га становить 7996 грн.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2

3

4. Закалов І., Козіброда Я., Ясній П. Класифікація і аналіз викопуючих робочих органів коренезбиральних машин. // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-1999.- Т.4, число 1. - С.143-151.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Закалов І.О. Розробка конструкції і обґрунтування параметрів коливних викопуючих робочих органів лемішного типу бурякозбиральних машин.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 -– Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва.- Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль,2001.

Дисертаційна робота присвячена питанням підвищення агротехнічних показників якості збирання коренеплодів цукрових буряків шляхом застосування в бурякозбиральних машинах коливних викопуючих робочих органів лемішного типу. Розроблено конструкцію та за допомогою виведених аналітичних залежностей визначено раціональні конструктивні й кінематичні парамет-ри нового лемішно-коливного копача з пружним шатуном. Проведені польові дослідження дозво-лили визначити основні агротехнічні показники якості виконання технологічного процесу викопу-вання коренеплодів та встановити закономірності впливу на них конструктивно-кінематичних параметрів запропонованого копача. Виведені диференціальні рівняння динаміки руху коливних викопуючих робочих органів дозволили встановити вплив конструктивно-кінематичних параметрів і технологічних чинників на амплітуду коливань лемешів. Розроблено теоретичні залежності для обчислення траєкторії руху вороху коренеплодів в міжлемішному просторі коливних копачів адекватно відтворюють реальний процес і підтверджені експериментально.

Ключові слова: бурякозбиральна машина; викопуючий робочий орган; леміш; коренеплід; амплітуда; частота коливань.

АНОТАЦИЯ

Закалов И.А. Разработка конструкции и обоснование параметров колебательных выкапывающих рабочих органов лемешного типа свеклоуборочных машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства.– Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2001.

Уборка сахарной свеклы является завершающим этапом технологического процесса её производства и в настоящее время остается одним из наиболее трудоемких и энергозатратных в сельском хозяйстве.

Современные корнеуборочные машины при работе в тяжелых условиях (высокая влажность – 24…30% и твердость почвы – 3…4,5МПа) не достаточно эффективно разрушают связи корнеплодов с почвой, в результате чего не выдерживаются основные агротехнические требования, а именно ухудшается отделение примесей, увеличиваются потери и повреждаемость корнеплодов. Кроме этого, качество уборки сахарной свеклы все ещё в значительной мере зависит от рельефа поля, урожайности плантации, засоренности посевов, размерно-массовых характеристик корнеплодов и их положения в рядах.

В связи с этим, разработка и исследование средств повышения качества уборки сахарной свеклы в мобильных корнеуборочных машинах является важной и актуальной научно-технической проблемой для сельского хозяйства Украины.

Одним из направлений, позволяющих улучшить агротехнические показатели качества и повысить эффективность процесса выкапывания корнеплодов, является использование колебательного действия на слой почвы при уборке сахарной свеклы. Перспективным, с этой точки зрения, является применение в свеклоуборочных машинах колебательных выкапывающих рабочих органов лемешного типа, разработке и исследованию которых посвящена настоящая работа.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программой “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів, машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості” и госбюджетных тем в Тернопольском государственном техническом университете в 1998…2001 годах.

Целью исследований является повышение агротехнических показателей качества и эффективности выкапывания сахарной свеклы путем усовершенствования конструкции и обоснования основных технологических и конструктивных параметров лемешно-колебательных выкапывающих рабочих органов свеклоуборочных машин.

Задачи исследований: разработка математической модели динамики движения колебательных выкапывающих рабочих органов свеклоуборочных машин с учетом конструктивно-кинематических параметров; разработка механико-математической модели движения вороха корнеплодов сахарной свеклы в междулемешном пространстве колебательных копачей с учетом напряженно-деформационного состояния системы “корнеплод-грунт” под действием технологической нагрузки; разработка новой конструкции колебательного выкапывающего органа лемешного типа свеклоуборочных машин и определение его основных конструктивных, кинематических и технологических параметров; изготовление опытных образцов и установление влияния конструктивно-кинематических параметров выкапывающих рабочих органов колебательного типа на показатели качества процесса выкапывания сахарной свеклы; провести сравнительную проверку качества работы серийной и модернизированной корнеуборочных машин; определить экономическую эффективность использования нового лемешного выкапывающего органа.

Научная новизна полученных результатов состоит в разработке механико-математической модели процесса выкапывания сахарной свеклы в виде дифференциальных уравнений, решение которых позволило получить аналитические зависимости для определения конструктивно-кинематических параметров выкапывающих рабочих органов лемешного типа. Впервые на основании совместного решения уравнений равновесия элементов грунта, реологической модели и уравнений связи напряжений и деформаций разработана апроксимационно-деформационная модель движения вороха корнеплодов в междулемешном пространстве, для экспериментальной проверки адекватности которой предложена новая методика с использованием специальных элементов на рабочей поверхности лемешей, воспроизводящих траекторию движения вороха корнеплодов. Экспериментально установлены зависимости изменения загрязненности, повреждаемости и потерь корнеплодов от влажности почвы, амплитуды и частоты колебаний вынужденной силы лемешей нового типа, позволяющие обосновать рациональные конструктивно-кинематические параметры колебательных выкапывающих рабочих органов лемешного типа.

В результате экспериментальных исследований и полевых испытаний достигнуты следующие технологические показатели качества выполнения технологического процесса разработанным выкапывающим органом: общие потери корнеплодов составляют 0,9%, загрязненность – 6,7% и повреждаемость – 4,9%. Проведенные сравнительные хозяйственные испытания подтвердили преимущество лемешно-колебательных выкапывающих органов перед серийными: потери корнеплодов уменьшились на 0,5%, загрязненность – на 3,1% и повреждаемость – на 1,3%. Полевые испытания показали, что прямые эксплуатационные затраты уменьшились на 4,7% в сравнении с базовым вариантом.

Годовой экономический эффект от внедрения предложенного выкапывающего рабочего органа на одной свеклоуборочной машине, рассчитанный на основании полученных показателей качества выкапывания корнеплодов сахарной свеклы, при сезонной наработке 200 га составляет 7996 грн.

Ключевые слова: свеклоуборочная машина, выкапывающий рабочий орган, лемех, корнеплод, амплитуда, частота колебаний.

ANNOTATION

Zakalov I. Development of the construction and substantiation of oscillation parameters of digging plough – type working parts of beet – harvesting machines.– Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of technical sciences in speciality 05.05.11- machines and agricultural manufacturing mechanisation means. – Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ternopil, 2001.

The dissertation deals with the problems of raising the agrotechnical factors of sugar – beet harvesting effectiveness means applications of oscillation plough – type-working parts of beet – harvesting machines.

The tests carried out in fields allowed to determine the main agrotechnical factors of the technological process effectiveness of digging beets and to find the influence regularity of them on the constructional-kinematic parameters of the suggested digger. Differential equations of the oscillation working parts movement dynamics allowed to find the influence of the constructional-kinematic parameters and technological factors on the plough oscillation amplitude.

Theoretical dependencies for the calculations of the beet wastes movement trajectory in the plough-between sphere of the oscillating diggers were developed.

Using these analytical dependencies the effective constructional and kinematic parameters of the oscillating working part of a new plough-type oscillating digger with the elastic conrod were determined.

Key words: beet-harvesting machine, digging working part, plough, beet, amplitude, oscillating amplitude.