ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

ПОЛУПАНОВ ВІКТОР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 631.358.928.244

РОЗРОБКА ВИКОПУВАЛЬНО - СЕПАРУЮЧОГО ПРИСТРОЮ МАШИНИ

ДЛЯ ЗБИРАННЯ КОРЕНЕПЛОДІВ КОРМОВОГО БУРЯКА

ТА ОБГРУНТУВАННЯ ЙОГО ПАРАМЕТРІВ

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського

господарства, міністерства аграрної політики України

Науковий керівник:

- заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Шабельник Борис Петрович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, професор кафедри “Механізація тваринницьких ферм”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Гевко Роман Богданович, Тернопільська академія народного господарства, завідувач кафедри “Машини і обладнання агропромислового комплексу”;

- кандидат технічних наук, доцент Рідний Віктор Федорович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, доцент кафедри “Деталі машин і стандартизація”.

Провідна установа: - Національний науковий центр “Інститут механізації та електрикфікації сільського господарства”, Українська академія аграрних наук (Київська обл., смт. Глеваха).

Захист відбудеться “ 23 ” січня 2003 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському державному технічному університеті сільського господарства за адресою: 61002, м. Харків - 2, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету сільського господарства за адресою: 61002, м. Харків - 2, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий “ 21 ” грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черенков О.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До найбільш відповідального робочого органа коренезбиральних машин відноситься викопувальний пристрій, який визначає якісні показники , а саме: втрати, ушкодження, загальну забрудненість вороха коренеплодів - на етапах підкопування та транспортування буряків до конвейєра-очисника.

Розповсюджені типи викопувальних пристроїв коренезбиральних машин (пасивні лемеші, вібролеміші, роторні вилки, сферичні диски + пружні била, полоз + “Евродиск”) не забезпечують виконання агротехнічних вимог у всьому діапазоні умов, характерних для України при високій урожайності кормового буряка, яка значно перевищує 50т/га. При цьому часто використовується ручна праця, витрати якої досягають 50-70% від усіх витрат на виробництво буряка.

Значна кількість домішок у воросі коренеплодів (рослинних залишків, незв’язаної гички та вільної землі), що формують існуючі викопувальні пристрої, вимагає складних, габаритних, металоємних конструкцій конвейєрів-очисників, які не досить результативно очищують ворох від забрудненості.

У Харківському державному технічному університеті сільського господарства розроблено машину для збирання кормового буряка з оригінальною комбінацією складових викопувально-сепаруючого пристрою, що дозволяє ефективно здійснювати технологічний процес. Розробка цього пристрою та обґрунтування його параметрів складає предмет дисертації, напрямок досліджень якої є важливим та актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок виконаної дисертаційної роботи відповідає держбюджетній і госпдоговірній тематиці ХДТУСГ у період з 1985 - 1992р.р.

Виконані в роботі дослідження проводилися в рамках державної програми “Комплексна механізація у тваринництві і кормовиробництві” при співробітництві з УкрНДІСГОМ по тематиці: “Вишукування, дослідження схем і робочих органів по удосконаленню комплексу машин для індустріальної технології збирання цукрового буряка у важких грунтово-кліматичних умовах” (тема К.05.208-85/71.179-85, № ДР 81087895) і “Вишукування, дослідження й обґрунтування параметрів високопродуктивних машин для індустріального виробництва просапних культур на базі енергетичного модуля, що вивільняється, з використанням уніфікованої базової колії і засобу автоматичного водіння агрегатів по ній” (тема К.05.208-86/71.200-86 , № ДР 01.86.0032091).

У 1985-87р.р, в рамках договорів творчої співдружності з ННЦ ІМЕСГ, автором проведене техніко-економічне обґрунтування механізованих засобів збирання кормового буряка в причіпному варіанті, що ввійшли в перелік Системи машин (договір № 322), та із ВНДІМТ, де проводились дослідження з теми: “Вивчення можливості застосування кулачкового очисника в технологічній лінії кормів на тваринницьких фермах” (договір № 87) щодо узагальнення показників якості очищення.

Результати науково-дослідних робіт за госпдоговорами використовувалися на полях дослідного господарства “Кутузівка” НВО “Племеліта” інституту тваринництва УААН у період 1985-1998р.р (договори №№ 30-86, 17-88, 20-90 з № ДР 01.86.0032091).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка ефективної конструкції викопувально-сепаруючого пристрою коренезбиральних машин та обґрунтування його конструктивно-кінематичних параметрів, що забезпечують виконання агровимог при збиранні високоврожайного кормового буряка.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

- розробити конструкцію та оцінити її на якісному рівні;

- визначити механіко-технологічні характеристики коренеплодів і параметри їхнього розташування на полі;

- теоретично дослідити та обгрунтувати параметри викопувально-забірного пристрою;

-експериментально дослідити запропонований новий пристрій з кількісною оцінкою критеріїв і перевірити його в умовах експлуатації.

Об’єкт досліджень: характер технологічного процесу збирання коренеплодів кормового буряка.

Предмет досліджень: обґрунтування параметрів викопувально-сепаруючого пристрою машини для збирання кормових буряків з високою врожайністю.

Методика досліджень. При проведенні досліджень були використані як теоретичні, так і експериментальні методи, що дозволили на базі законів теоретичної механіки розробити математичну модель просторового руху кормового буряка у викопувально-забірному пристрої у вигляді рівнянь Лагранжа другого роду. Теоретичні дослідження базувалися на теорії вірогідності, математичної статистики, методах оптимізації та числових методах. Розрахунки та обробка результатів досліджень проводились на ПЕОМ з використанням розроблених та стандартних програм забезпечення.

Оцінка технологічних показників попередніх польових досліджень проводилась за допомогою аналізу на якісному та кількісному рівнях.

При проведенні лабораторно-польових випробовувань застосовувались методи багатофакторного експерименту.

Під час проведення експериментів, поряд зі стандартними методиками, використовувались спеціально розроблені методики: визначення механіко-технологічних характеристик буряка, дослідження якісних та енергетичних показників 3-х рядного викопувально-сепаруючого пристрою змонтованого на викопувачеві ККГ-1,4.

Наукова новизна одержаних результатів. Найбільш значними положеннями наукової новизни дисертаційної роботи є:

- розробка математичної моделі просторової взаємодії коренеплоду з дисками викопувального та забірного пристроїв;

- оцінка, за допомогою математичної моделі, умов ушкоджень та втрат буряків, контакту з бітером, відсутності сгружування коренеплодів при виході за межі дисків, впливу параметрів робочих органів пристрою на процес збирання кормового буряка;

- розробка методики оцінки механіко-технологічних характеристик і параметрів розташування буряків на полі за допомогою запропонованої об’ємної характеристики масива буряка - “конус росту”;

- теоретичне обгрунтування функціональних залежностей кривих контурів кормових буряків за допомогою параметра “одиничний коренеплід”.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано комбінацію складових викопувально-сепаруючого робочого органу та їх раціональні параметри, що рекомендуються, яка забезпечує виконання агротехнічних вимог для збирання високоврожайних коренеплодів у діапазоні умов, характерних для більшості районів України.

Результати роботи прийняті для використання ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” при проектуванні бурякозбиральної техніки, зокрема машин для збирання коренеплодів кормового буряка.

Розроблений викопувально-сепаруючий пристрій машини для збирання кормових буряків випробовувався протягом ряду років у господарствах Харківської області, при цьому було відзначене виконання агротехнічних вимог при врожайності 80-110т/га.

Очікуваний річний економічний ефект від впровадження трьохрядного пристрою машини для збирання кормового буряка, в порівнянні з результатами роботи машини МКК-6, складає 5899 грн., при нормі площі, що збирається, 50 га., або 118 грн. на гектарі.

Особистий внесок здобувача. Безпосередня участь здобувача в отриманні наукових результатів, викладених в дисертації і відображених в наукових працях полягає: в аналізі сучасного стану питання і виявлені проблеми збирання кормового буряка з високою врожайністю; в постановці задач досліджень; розробці математичної моделі, алгоритму та програми обчислень; виготовленні та монтажі пристроїв; плануванні факторних експериментів, проведенні лабораторних і польових досліджень; обробці результатів на ПЕОМ і їхньому аналізі.

У публікаціях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора в середньому складає 35-40 % та визначається: теоретичною узагальнюючою об’ємною характеристикою масива кормових буряків - “конус росту” [1, 8]; конструктивними рішеннями ешелонування копачів, профілю леза дисків, взаємодії консольних пружних елементів з коренеплодами [12, 13, 16, 18]; теоретичним та конструктивним обгрунтуванням пружної зони виходу кормового буряка [3, 14, 15]; теоретичним обгрунтуванням критеріїв забезпечення технологічного процесу викопувально-сепаруючого пристрою та аналізом механіки руху коренеплода [2, 8, 9, 10]; конструктивними та теоретичними рішеннями елементів одноярусного конвейєра-очисника та визначенням його продуктивності [4, 11, 17].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи проходили апробацію на щорічних науково-методичних конференціях і семінарах ХДТУСГ (1985-2001 р.р), Всесоюзній науково-технічній конференції “Основные направления развития техники для возделывания и уборки сахарной свеклы и кукурузы по индустриальным технологиям” (УкрНДІСГОМ, м. Харків, 1986 р.), науково-технічній конференції ВНДПТІМЕСГ за підсумками досліджень 1987 року (м. Зерноград, 1988 р.), 3-й міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (м. Кіровоград, 2001р.).

Публікації. У дисертаційній роботі приведені результати виконаних досліджень, проведених у період 1985-2001р.р. Тенденції шляхів досліджень; аналіз властивостей коренеплодів; теоретичне обґрунтування, пошук і модифікація варіантів конструктивних рішень пристрою, результати їхніх польових випробувань, приведені в річних звітах по госпдоговірним науково-дослідним роботам. Основний зміст і результати дисертаційної роботи по темі відображені у 18 опублікованих працях (10 статей, тези доповіді, 5 авторських свідоцтв і 2 інформаційних листка).

Обсяг і структура роботи. Дисертація cкладається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації 278 сторінок, з них основна частина викладена на 149 сторінках, містить 82 рисунки, 13 таблиць, 54 сторінки додатків. Список використаних літературних джерел складає 129 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі розглянуто стан питання та задачі досліджень. Приведений огляд факторів, які оговорюють ступінь впливу на технологічний процес, та їх розподіл на керовані та некеровані. Визначені якісні показники механізованого збирання коренеплодів, умови виконання робіт та агробіологічні умови технологічного процесу.

Проведено аналіз конструктивних і схемних рішень та результатів теоретичних і експериментальних досліджень викопувальних та забірних робочих органів. Проаналізовані роботи Л.В. Погорілого, Г.Д. Петрова, В.В. Герасимчука, О.П. Гурченка, В.А. Хвостова, Ф.М. Канарева, М.Л. Погорілого, А.І. Портянка, А.М. Мазуренка, О.М. Семенова та інших дослідників. Розглянута теорія Б.П. Шабельника щодо оцінки геометрії та взаєморозміщення елементів кулачкового конвейєра-очисника.

Встановлено, що найбільш простими та надійними є пасивні комбіновані викопуючі пристрої з розділеними етапами викопування та транспортування коренеплодів до очисника (сферичні диски+била, підкопуючий лемех+”Евродиск”).

У зв'язку зі складністю задачі передбачаються як теоретичні, так і експериментальні досліджень, з оцінкою результатів як на якісному, так і на кількісному рівнях.

В результаті вивчення стану питання, визначені прийняті параметри для проектування, виготовлення та дослідження установки, з оцінкою характеристик на якісному рівні. Конструкція була доведена до працездатного стану, після чого зважувалася задача уточнення параметрів. Найбільш складним стало рішення задачі обґрунтування параметрів викопувально-забірного пристрою у частині, що відноситься до підйому коренеплоду і передачі його на конвейєр-очисник.

Для подальшого обґрунтування параметрів запропонованого пристрою необхідно виконати теоретичні дослідження. Однією з частин цього дослідження передбачалось визначення характеристик коренеплодів і їхнього розташування на полі, що є вихідними даними для математичного моделювання.

Експериментальні дослідження мали на меті кількісну оцінку основних критеріїв технологічного процесу. На завершальному етапі досліджень була запланована перевірка викопуючого пристрою машини в господарствах з метою оцінки її ефективності в різних умовах.

Виходячи з цього, були сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі приведено теоретичне обґрунтування математичної моделі руху коренеплоду у викопувально-забірному пристрої. Вихідним положенням було припущення, що робочі площини основного і забірного дисків утворюють умовний V-подібний лоток. Лінія перетину робочих площин цього лотка нахилена до горизонту на кут б.

Кут між подовжньо-вертикальною площиною машини й вертикальною площиною, що проходить через згадану лінію перетину, позначений на як , кут між робочою площиною і площиною, яка є перпендикулярною, площині симетрії лотка -.

Величини цих кутів, а також положення початку А системи координат хyz, пов’язаної з лотком, визначаються розміщенням дисків, що задається відносно системи координат хryrzr, орієнтація якої пов’язана з горизонтом, а саме значеннями кутів атаки й кутів найбільшого нахилу робочих площин дисків до горизонту, а також координат центрів дисків. При розв’язанні задачі використовуються системи координат x1y1z1, x2y2z2, пов’язані з робочими площинами дисків 1 і 2; система , початок якої знаходиться в центрі мас коренеплоду, вісь цієї системи збігається з віссю симетрії коренеплоду. При перетвореннях координат використовуються також допоміжні системи координат (системи , x3y3z3, x4y4z4, xиyиzи, xи1yи1zи1).

При рухові буряку у пристрої треба дотримуватися низки вимог, які формують систему критеріїв ефективності його роботи. По-перше, коренеплід повинен розміщуватися всередині робочої зони викопувальних дисків. Для дотримання цього повинні бути наявні зазори - 2, 3 між краями дисків 2 та 3 та його поверхнею, тобто треба щоб

При розробці моделі треба передбачити можливість руху у стані контакту коренеплоду з робочими площинами дисків 1, 2, або у стані контакту з площиною диска 2 та краєм диска 1. Останній вид контакту небажаний, але можливий, оскільки край диска 1 утворюється загнутими кінцями прутків. Відповідна умова є такою:

де R1,K1 - радіус розміщення точки контакту коренеплоду з робочою площиною умовного лотка, що відповідає площині диска 1; Rд1 - радіус диска 1.

Якщо у момент початкового контакту кут нахилу коренеплоду буде такий, коли його головка буде знаходитися всередині робочого простору між дисками 1 і 2, то такий контакт є сприятливим, в противному разі має місце втрата коренеплоду. Відповідна умова сприятливого контакту має такий вигляд:

де cos(,z1) - напрямний косинус осі коренеплоду на вісь z1.

Ще однією вимогою розміщення коренеплоду є необхідність знаходження центра мас (RС – радіус розміщення центра мас) коренеплоду у межах дисків 1 і 2, інакше коренеплід випадає з пристрою, тобто коренеплід знаходиться у пристрої при

Умовою відсутності пошкодження коренеплоду гострим краєм диска 2 є аналог умови (2), тобто

При роботі пристрою треба забезпечити відсутність нагромадження коренеплодів, яке виникає, коли там знаходиться більше одного коренеплоду. Відповідна умова має такий вигляд:

де Тв - час, що проходить від моменту контакту коренеплоду з дисками забірного пристрою до моменту дотику поверхні коренеплоду з траєкторією лопатки бітера; VM - швидкість машини; z – кількість коренеплодів на одиниці довжини рядка.

Небажаною є така ситуація, коли в момент початкового контакту має місце розміщення поверхні коренеплоду всередині кола траєкторії лопатки бітера. Це свідчить про те, що бітер діє на коренеплід ще до контакту його з дисками забірного пристрою. Така ситуація є особливо небезпечною для глибоко розміщених буряків, тому що для них можливий ще достатньо сильний зв’язок з грунтом, тому до числа критеріїв можна додати умову:

якої бажано дотримуватися особливо для глибоко розміщених коренеплодів.

Під час обчислень треба визначити кутове положення точки дотику відносно вертикальної площини, яка проходить через вісь обертання бітера 5, тому що при перевищенні певного діапазону його значень має місце зниження ефективності процесу передачі коренеплоду бітером на очисник 4.

Перелічені умови перевірялися під час початкового контакту коренеплоду та його руху. Поверхня коренеплода кормового буряка апроксимувалася тілом обертання з твірною такого вигляду:

де А, ..., е - коефіцієнти апроксимації; l, dmax - довжина та товщина коренеплоду; - поточне значення відстані від верхньої тики головки коренеплоду у напрямі його осі.

Система рівнянь руху коренеплоду в умовному лотку складається у вигляді рівнянь Лагранжа:

де - узагальнені сили тяжіння G та тертя F2 в точці контакту K2 з диском 2, що відповідають узагальненим координатам. Як останні приймалися такі: yc - координата центру маси буряка у напрямі осі умовного лотка, тобто у напрямі осі у системи координат xyz; - відповідно кути між площинами xy, yz та віссю коренеплоду;

де - проекції швидкості центра мас на осі xyz та проекції вектора кутової швидкості на осі , які є головними центральними осями коренеплоду; - маса та моменти інерції коренеплоду відносно осей .

Координати центра мас дорівнюють

де СО1, СО2 - відстані від центра мас коренеплоду до центрів кривизни поверхні коренеплода в точках контакту; R1, R2 - середні радіуси кривизни в точках контакту.

Проекції вектора кутової швидкості дорівнюють:

Узагальнені сили знаходилися за допомогою формул:

де - проекції сил та координати точок їх прикладення на вісі система координат xyz зв’язаної з умовним лотком; qK - узагальнені координати - yc, .

Проекції сили тяжіння задані в системі хryrzr - Gxr=Gyr=0, Gzr= - mg. Проекції сили тертя у точці контакту задаються в системі x2y2z2:

Проекції зазначених сил у системі xyz знаходилися після перетворень координат.

Проекції , відносної швидкості в точці контакту в системі x2y2z2 знаходяться після диференціювання та перетворень координат, виходячи з координат точки контакту у системі xyz:

Проекції переносної швидкості в точці контакту дорівнюють:

де _кутова швидкість обертання диска 2; _проекції радіуса-вектора точки контакту з початком у центрі диску.

Реакції в точках контакту знаходилися після розв’язання системи рівнянь

яка утворена проекціями сил на напрямки реакцій. До числа рівнянь входять також проекції сили інерції , яка прикладена в центрі мас; вони залежать від узагальнених координат та швидкостей, невідомих до розв’язання системи рівнянь, тому вона розв’язувалася із застосуванням способу послідовних наближень.

Під час руху можливі такі випадки, як ковзання в точці контакту К2, які описуються розглянутою системою рівнянь, так і випадки відсутності ковзання. Останнє має місце при:

В цьому випадку коренеплід зафіксований дисками й має швидкість, що визначається обертанням диска 2 від зчеплення з грунтом. Обчислення за допомогою моделі здійснювалися за допомогою розробленої програми з метою з’ясування механіки руху коренеплоду під час перебування його у викопувально-забірному пристрої, визначення діапазонів параметрів розміщення коренеплодів на полі, координат розміщення осі бітера, координат центра забірного диска та кутів нахилу його площин, при яких має місце сприятливий результат взаємодії пристрою з коренеплодом. Він визначається повнотою виконання умов вищенаведеної системи критеріїв.

При обчисленнях змінювалися такі параметри: кути нутації vk та прецесії осі коренеплоду на полі, поперечне відхилення коренеплоду від осі рядка xr,hg; товщина коренеплоду dmax, відповідні значення його довжини Н0Н та відстані від центра маси до верхньої точки головки Н0С, відстань від центра мас коренеплоду до точки перехрещення його осі з горизонтом поверхні поля НgС (ця характеристика визначає глибину hk розміщення коренеплоду); сорт коренеплоду; координата yr,в розміщення осі бітера у напрямку осі yr; поперечна координата центру забірного диска xr,д1; кут атаки та кут найбільшого нахилу робочої площини диска до горизонту ; швидкість машини vм.

Рівні перелічених параметрів під час обчислень приймалися такими: vk=5, 15, 25, 35, 450; =5, 85, 175, 2650; xr,hg=0, 15, 25, 50, 100мм; dmax=60, 90, 120мм; Н0Н=160, 240, 320мм; Н0С=80, 120, 160мм; НgС=10, 70м (hk=110, 50мм); сорт коренеплодів: “Еккендорфська жовта”, “Полтавська біла”, “Переможець”; yr,в=-40, -60, -80, -100, -115, -130, -175, -200мм; xr,д1=70, 90, 110, 130, 150мм; =9, 12, 150; =10, 13, 19, 22, 250.

Під час обчислень по з’ясуванню механіки поведінки коренеплоду у пристрої змінювався коефіцієнт тертя; досліджувався його рух при наявності і відсутності бітера. Виявлено, що при роботі у нормальних умовах (f=0,5) буряк фіксується між дисків й рухається зі швидкістю, яку має лівий диск від зчеплення з грунтом. При зниженні величини коефіцієнта тертя до f=0,2, що відповідає роботі в умовах підвищеної вологості, з’являється ковзання й повертання буряку відносно робочих поверхонь дисків.

При дослідженні впливу параметрів розміщення коренеплодів різних сортів на полі, різних величин глибини розміщення коренеплодів, швидкостей руху машини виявлено, що сприятливий результат взаємодії коренеплоду з пристроєм має місце при поперечних відхиленнях коренеплоду від осі рядка, які не перевищують 25 мм та кутах нахилу коренеплодів від вертикалі, що не перевищують 15-250. При цьому діапазон кутів точок дотику коренеплоду з траєкторією лопатки бітера становить ±150.

Під час досліджень впливу подовжньої координати осі обертання лопатевого бітера змінювалося значення yr,в. Виявлено, що доцільне значення цієї координати становить yr,в = -115мм. При відхиленнях координати від цього значення можливе явище нагромадження коренеплодів у пристрої (при зменшенні yr,в), або небезпека дії бітера до моменту потрапляння коренеплоду до забірного пристрою.

При дослідженні впливу поперечної координати центру диску та кутів нахилу робочої площини виявлено, що доцільні їх значення дорівнюють xr,д1=110мм; =120; =16-190. При відхиленні від цих значень мають місце втрати коренеплодів при початковому контакті, з’являються явища нагромадження коренеплодів або передчасного контакту коренеплоду з бітером.

В третьому розділі наведена програма та методика експериментальних досліджень механіко-технологічних характеристик коренеплодів кормового буряка. Вказані характеристики були розділені на три умовні групи, визначення яких складали напрямками програмних досліджень.

Програмою передбачалось вивчення параметрів першої групи, що дозволили як приблизно так і докладно геометрично охарактеризувати коренеплоди. Узагальнення числових значень діаметра, Dmax; довжини коренеплоду, Lк і коефіцієнта співрозмірності форми, ксф дали можливість приблизної (часткової) характеристики. Для докладної геометричної характеристики, крім розмірів, передбачалось визначення форм, що описуються кривими профілів коренеплодів як тіл обертання.

Другу групу вивчення, обумовлену вихідними даними математичної моделі, складали масові та інерційні характеристики. До них були віднесені: маса - mк, об’єм - Vк і щільність - до коренеплодів, моменти інерції - Jz, Jx і координати центра ваги- zц.т..

Параметри, віднесені до третьої групи, які характеризують просторове розміщення коренеплодів на полі й описуються прийнятою умовною об’ємною фігурою – “конусом росту”, складали: hв - узвишшя коренеплодів над поверхнею грунту; hз - глибина залягання коренеплодів; z - відхилення верхньої точки центру головки коренеплоду від подовжньо вертикальної площини рядка; ' - кут прецесії (квадрантна характеристика горизонтальної проекції подовжньої осі коренеплода); - кут нутації (характеризує нахил подовжньої осі коренеплоду від вертикалі); b1 - відстань між центрами перетинів коренеплодів на рівні ґрунту уздовж подовжньої осі рядка; e - зміщення центру перетину буряка на рівні ґрунту від подовжньої осі рядка.

Виходячи з вищесказаного, для механіко-технологічних характеристик коренеплодів кормового буряка передбачалась наступна узагальнена програма робіт:

- аналіз і визначення геометричних характеристик коренеплодів;

- визначення масових, а також інерційних характеристик кормового буряка;

- аналіз і визначення просторових характеристик розміщення буряка на полі.

Для визначення характеру впливу показників на критерії ефективності технологічного процесу та параметрів потужності, при проведенні лабораторно-польових дослідів, була застосована причіпна трьохрядна дослідна установка на базі комбайна ККГ-1,4.

Пружний диск, розміщений над поверхнею поля із зазором, у парі з основним диском передбачав транспортування коренеплоду до зони взаємодії з бітером, який забезпечував передачу на конвейєр-очисник. Для зменшення кількості рослинних домішок та грунтових часток передбачалось встановлення чотирьохсекційного каскадного кулачкового конвейєра-очисника із зустрічним обертанням останньої кулачкової секції.

При проведенні дослідів використовувався метод планування експерименту с кодуванням прийнятих керованих факторів швидкості (V, м/с ) та заглиблення підкопувальних дисків (Г, мм ).

Поряд із стандартним обладнанням та приладами були використані розроблені прилади для вимірів: щільності коренеплодів, моментів інерції методом бі- та трифілярних підвісок, положення центра тяжіння та визначення кутів прецесії й нутації.

В четвертому розділі розглянуто результати визначення механіко-технологічних характеристик коренеплодів при цьому встановлено, що основним їх розмірно-масовим характеристикам притаманна варіабельність відповідно до критерію виду кривих К. Пірсона і нормального закону розподілу.

Запропоновано поліноміальні залежності, поєднуючі координати точок контурів коренеплодів кормового буряка для сортів “Еккендорфська жовта” і “Переможець” за допомогою параметра “одиничний коренеплід” із довжиною і максимальним діаметром, рівними одиниці. Це дозволило запропонувати ряд емпіричних залежностей по визначенню об’єму коренеплоду, площі перетину уздовж подовжньої осі симетрії, статичного моменту площі щодо поперечної осі, а також визначення положення центра ваги.

Згідно програмі досліджень, визначено коефіцієнти для геометричних і масових характеристик кормового буряка сортів “Еккендорфська жовта” і “Переможець”: співрозмірності форми сорту, ксф – 0,375 і 0,414; об’єму, KV – 0,172 і 0,136; подовжньої площі перетину коренеплодів, KF – 0,398 і 0,335; статичного моменту площі щодо поперечної осі, KS – 0,191 і 0,131.

За результатами вимірів визначено діапазон щільності коренеплодів кормового буряка для сорту “Переможець”, що склав 1,025 – 1,050·10-3кг/см3.

Проведений аналіз для визначення моментів інерції щодо подовжньої й поперечної осей методом бі- і трифілярного підвісів дозволяє стверджувати про наявність погрішностей, які перевищують 5% рівень значимості при знаходженні моментів інерції коренеплодів щодо поперечної осі методом біфілярного підвісу.

Для визначення області значень точок поверхні коренеплоду, при його початковому положенні на полі, запропонована об’ємна фігура - “конус росту”, яка об'єднує масив агротехнологічних ознак, прив'язаних до подовжньої осі коренеплоду, як складової для утворення запропонованого конуса.

Використання параметрів “конуса росту” при математичному моделюванні, зокрема, кута прецесії визначило переважну орієнтацію коренеплодів кормового буряка сортів “Еккендорфська жовта” і “Переможець” у квадрантах відносно осей рядка.

Як результат вивчення характеристик розміщення коренеплодів на полі було визначено значення параметрів “конуса росту” для розглянутих сортів , що прибирались під час лабораторно-польових і господарських випробувань. Для “Еккендорфської жовтої” радіус Rкр “конуса росту” склав 0,071м, висота, Нкр - 0,272м, узвишшя над рівнем ґрунту, Нв.кр - 0,163м і заглиблення, Нз.кр - 0,109м, для буряка сорту “Переможець” ці значення відповідно були рівні 0,058м; 0,320м; 0,145м і 0,176м.

В п’ятому розділі представлені результати досліджень викопувального пристрою машини в польових умовах. На якісному рівні автором проаналізовані результати конструктивного пошуку рішень прийнятних саме до типу копачів та їх складових, які включали підкопувальні лапи, витискні вилки, сферичні та плоскі диски, диски з розірваним ободом (авторське свідоцтво), консольні пружні елементи, які діють на коренеплід, двох різновидів: з горизонтальним та вертикальним обертовими валами їх закріплення (авторські свідоцтва). Вузли індивідуальних кріплень дисків, регулювань їх кутів установки, ешелонування копачів (авторське свідоцтво).

Кінцеве конструктивне рішення для викопування коренеплодів включає комбінацію пасивних різновеликих дисків. Розроблений пристрій (авторське свідоцтво) містить більший (основний, підкопувально-транспортуючий) і менший (підкопувальний) диски, а також пружний транспортуючий диск. Підкопані і підняті на денну поверхню коренеплоди підхоплюються в зоні взаємодії основного і пружного дисків, де транспортуються до задніх кромок і далі за допомогою лопатей бітера передаються на конвейєр-очисник.

Викопувальний засіб пристрою представляє комбінацію основного плоского диска діаметром 700мм, сферичного підкопувального диска діаметром 450мм і забірного транспортуючого диска діаметром 480мм. Настановні кути атаки і розвалу склали для кожного з зазначених дисків 16,50; 11,50; 190 і 140; 40; 150 відповідно.

Конструкція підшипникових вузлів основного і транспортуючого дисків, за допомогою двох однобічних клинчастих фланців, передбачає регулювання вільної фронтальної зони проходу коренеплодів, шляхом зміни настановних кутів і координатного розміщення бітерного пристрою. Стійка сферичного диска кріпиться двома хомутами до поворотного ложемента, що дозволяє регулювати кут атаки в діапазоні 0-50.

Аналіз на якісному рівні конвейєра-очисника конструкції Шабельника Б.П. з урахуванням теорії коефіцієнта розподілу, дослідів Портянка А.І., Тетянка М.В., Юхіна Г.П. дозволив удосконалити базове конструктивне рішення.

Робочий варіант конструкції конвейєра-очисника містить чотири вали (секції) із установленими на перших трьох валах (секціях) кулачками з розмірами діаметрів описаних кіл, рівними 160, 260, 280мм і кулачками для четвертого вала діаметром описаного кола 150мм. Третій і четвертий вали обладнані кулачками з хвилеподібною поверхнею вершин, які були рівномірно зміщені щодо осей симетрії. Осі першого, другого і третього валів розташовуються в одній умовній площині. У робочому положенні ця умовна площина утворює із площиною поверхні поля кут 12-170 в залежності від заглиблення копачів.

Зміщено вісь четвертого вала по нормалі щодо умовної площини розташування осей трьох перших валів. Критерієм величини зміщення осі було похиле розташування умовної площини, проведеної через верхні точки утворюючих кулачків третього і четвертого валів, що формує скатну поверхню убік пальців планок подовжнього транспортера, що забезпечують прийняття коренеплодів з очисника.

Принципова відмінність конструкції очисника полягає в зустрічному обертанні кулачків третього і четвертого валів. В результаті спостережень було встановлено, що при контакті з кулачками коренеплід здобуває обертання навколо подовжньої осі симетрії, яке сприяє його доочищенню від зв'язаного ґрунту. Крім цього, інтенсифікується сепарація грудок вільного ґрунту і рослинних залишків.

Для сепарації вороха було використано його розшарування під час сходу з третьої секції очисника (спостереження виявили відмінність траєкторій для буряків, часток ґрунту, рослинності). З метою збільшення кута скатної поверхні в напрямку подовжнього транспортера діаметр профільних кулачків четвертого вала, прийнятий на якісному рівні, склав 150мм. Аналіз якісних показників дозволяє рекомендувати відстань, від осі обертання четвертого вала до умовної площини, проведеної через осі обертання 1-го, 2-го і 3-го валів, що складає 130мм. Величина кута між робочими поверхнями суміжних кулачків з протилежним обертанням повинна змінюватись в діапазоні від 71-720 на початку контакту до 46-470 в момент виходу буряку з зони защемлення.

Під час господарських випробувань на полях дослідного господарства “Кутузівка” НВО “Племеліта” інституту тваринництва УААН у період 1990-1998 р.р. були отримані якісні показники оцінки експериментального пристрою при двох значеннях вологості – типової й близькій до екстремальної.

При типових умовах господарських випробувань із середньою вологістю і твердістю ґрунту 15,2 % і 1,56 МПа та урожайністю кормових буряків сорту “Переможець” – 726 ц/га агротехнологічні показники, при швидкості руху 1,13 м/с і заглибленні копачів 7,8см, складали такі величини: втрати - 1,17 %, сильні ушкодження - 1,48 %, загальні ушкодження - 4,6%.

Для реконструйованого конвейєра-очисника конструкції Шабельника Б.П. із пружними кулачками третього вала і зустрічно обертовими жорсткими кулачками четвер-того секційного вала загальна забрудненість вороху коренеплодів складала 3,27%.

Під час господарських випробувань при середній вологості ґрунту, яка дорівнювала 22,7%, і твердості грунту 1,05МПа було визначено значень сильних ушкоджень - 6,7%, загальних ушкоджень - 9,2%, втрат - 1,38%, загальної забрудненності вороху - 6,9% при робочій швидкості 1,44м/с і глибині підкопування 6,6см. Урожайність коренеплодів кормового буряка сорту “Переможець” складала 850ц/га.

При впровадження трьохрядного пристрою машини для збирання кормового буряка очікуваний річний економічний ефект, в порівнянні з результатами роботи машини МКК-6, складає 5899грн, при нормі площі, що збирається, 50га, або 118грн на одному гектарі.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Порівняльний аналіз даних літературних джерел, випробувань і експериментальних досліджень різноманітних типів робочих органів для викопування кормового буряка і сепарації їхнього вороху свідчить про те, що доцільною комбінацією робочих органів (викопувального пристрою) для збирання коренеплодів середніх і великих розмірів є така, що складається з основного плоского і сферичного пасивних підкопувальних дисків і транспортуючого пристрою у виді пружного пальчастого диска; для сепаруючого пристрою доцільним є використання кулачкових секцій-очисників, що складаються з протилежно-обертових еластичних і жорстких кулачків спеціального профілю.

2. Розроблена математична модель просторового руху кормового буряка у викопувально-забірному пристрої дозволяє оцінити можливість попадання коренеплоду в робочу зону пристрою, сприятливого контакту з забірним і основним дисками пристрою, умови ушкодження і втрати коренеплоду, а також умови контакту з бітером і відсутності сгружування коренеплодів у пристрої при русі машини і зміні параметрів розміщення коренеплодів на полі щодо рядка, їхньої глибини, коефіцієнта тертя, сорту, розмірів і параметрів пристрою.

3. З використанням математичної моделі і результатів вивчення механіко-технологічних характеристик коренеплодів отримані результати механіки, що стосуються поведінки коренеплоду в пристрої, характеристик руху коренеплоду при зміні параметрів його положення на полі. Доцільним є наступні параметри розташування координат осі обертання бітера і забірного диска:

- значення подовжньої координати розташування осі обертання бітера від центра основного (лівого) диска складає (- 115мм);

- кут атаки забірного диска складає 120, кут найбільшого схилу робочої площини диска до обрію знаходиться в діапазоні 160-190, координата поперечного розташування осі центра обертання диска - 110мм.

4. При збиранні кормового буряка доцільною комбінацією робочого органа, що сепарує, є послідовна установка секцій з металевими трилопатевими кулачками на перших двох валах; на третьому валу - гумові кулачки спеціального профілю; четвертий вал має кулачки з профілем, дзеркально відображає профіль кулачків третього вала. Вісь обертання вала четвертої кулачкової секції зміщена по нормалі щодо площини осей перших трьох валів на 130мм, а діаметр зменшений до 150мм у порівнянні з кулачками 3-го вала, діаметр яких складає 260мм. Четверта кулачкова секція обертається в напрямку, протилежному напрямку обертання інших кулачкових секцій.

Застосування зазначеної комбінації робочих органів дозволяє істотно зменшити кількість вільного ґрунту і рослинних залишків у прибраному воросі і знизити ушкодження коренеплодів в порівнянні з конструкцією кулачкового очисника вороху кормового буряка, що застосовувалося для очищення.

Для типових умов збирання показник загального забруднення вороха відповідає 3,27%. Доцільне значення кутової швидкості для кулачкового конвейєра-очисника дорівнює 14,2рад/с.

5. При лабораторно-польових дослідженнях були отримані агротехнологічні показники процесу збирання коренеплодів для машини з параметрами робочих органів, що рекомендуються, двох факторів: швидкості і заглиблення копачів при двох значеннях вологості – типової і близької до екстремальної вологості.

При типових умовах із середньою вологістю (16,3%) і твердістю ґрунту (1,77МПа) оптимальні значення агротехнологічних показників досягаються при швидкості руху 1,04м/с і заглибленні копачів 6,4см. При цьому втрати складають - 0,92%, сильні ушкодження - 1,79%, загальні ушкодження - 5,46%, зв'язаного ґрунту у воросі - 1,72%, вільного ґрунту - 1,22%.

Для середньої вологості ґрунту (24,4%) і твердості 0,8МПа, можливе досягнення значень сильних ушкоджень - 6,24%, загальних ушкоджень - 8,33%, утрат - 1,5%, зв'язаного ґрунту - 4,61%, вільного ґрунту у воросі - 2,59% при робочій швидкості 1,32м/с і глибині підкопування 6,8см.

6. Сумарна тягова потужність, при врожайності коренеплодів 90-100т/га, складових середніх значеннях вологості і твердості ґрунту 24% і 0,8МПа, глибині підкопування 6,5-7,0см, у діапазоні робочих швидкостей комбайна 1,13-1,25м/с, у розрахунку на один рядок склала 2,74-4,13кВт. Ці показники кращі, ніж показники вібраційних копачів, і порівняно рівноцінні з показниками копачів типу сферичні диски+била (МКК-6), приводних дисків (КС-6В) і копачів з активними вилками (РКМ-6).

7. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження трьохрядного пристрою машини для збирання коренеплодів кормового буряка, в порівнянні з результатами роботи машини МКК-6, складає 5899грн, враховуючи нормативну площу, що збирається, 50га, або 118грн на одному прибраному гектарі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Шабельник Б.П., Полупанов В.Н., Завгородний А.Ф., Бандура А.И., Савин А.М. Особенности развития и формирования кормовой свеклы к моменту уборки // Механизация и электрификация сельского хоэяйства. - К.: - 1985. - С. 8-11. - 0,19 д.а. (Здобувачем запропонована об’ємна характеристика масива буряка – “конус росту”).

2. Шабельник Б.П., Мартынов В.М., Полупанов В.Н. Обобщенный критерий оптимизации рабочего процесса свеклоуборочной машины // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1987. - №10. - С. 40-41. - 0,19 д.а. (Здобувачем теоретично обгрунтовані та представлені криві оцінки якості процесу викопування кормових буряків).

3. Шабельник Б.П., Полупанов В.Н., Мартынов В.М. Выкапывающее устройство корнеплодов кормовой свеклы с равнопрочным упругим диском // Конструирование и технология производства с. х. машин. - К.: Техніка - 1990. - № 20. - С. 56-59. - 0,19 д.а. (Здобувачем експериментально проаналізовані радіальні деформації пружного диска).

4. Шабельник Б.П., Мартынов В.М.,Серебряков И.Н., Татьянко Н.В., Полупанов В.Н. Методика расчета производительности кулачковых очистителей // Техника в сельском хозяйстве. 1991. - № 2. - С. 56-57. - 0,1 д.а. (Здобувачем досліджені та проаналізовані результати значень продуктивності одноярусного очисника).

5. Полупанов В.М. Агрофізична характеристика кормових буряків // Механика Машиностроение: Cб. науч. тр. - Харьков: ХГПУ.- 1997.Вып.7,-ч.2, - С. 82-85. - 0,21 д.а.

6. Полупанов В.Н. Математическая модель движения корнеплодов в выкапывающем устройстве корнеуборочной машины // Повышение надежности восстанавливаемых деталей: Cб. науч. тр. - Харьков: ХГТУСХ. - 1999. - С. 158-162. - 0,24 д.а.

7. Манчинский Ю.А., Полупанов В.Н., Лузан П.Г. Поведение корнеплодов в заборном устройстве машины для уборки кормовой свеклы // Зб. наук. пр. Кіровоградського державного технічного університету “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація” Вип. 10. - Кіровоград: КДТУ. - 2001. -С.124-129. - 0,29 д.а. (Здобувачем, шляхом обчислень, графічно охарактеризовано зміну координат центра мас коренеплода при наявності бітера транспортуючого пристрою).

8. Манчинский Ю.А., Полупанов В.Н. Влияние характеристик начального положения корнеплодов на эффективность технологического процесса уборки корнеплодов кормовой свеклы // Механізація сільськогосподарського виробництва. Зб. наук. пр. Вип. 7 - Харків: ХДТУСГ. - 2001. - С. 216-221. - 0,29 д.а. (Здобувачем визначено вплив зміни нахилу подовжньої осі буряка на відповідність критеріям оптимальності процеса).

9. Манчинский Ю.А., Полупанов В.Н. Критерии эффективности функционирования выкапывающе-заборного устройства машины для уборки кормовой свеклы // Зб. наук.пр. Вип.8, т.1 - Харків: ХДТУСГ. - 2001. - С. 189-193. - 0,24 д.а. (Здобувачем теоретично визначені критерії характеру контакту коренеплода з площинами дисків).

10. Манчинський