НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШЕВЧЕНКО ІГОР АРКАДІЙОВИЧ

УДК 631.3.01

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ТЕХНІЧНИХ

ЗАСОБІВ ДЛЯ ОБРОБІТКУ ҐРУНТІВ НА БАЗІ ЇХ

АГРОФІЗИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2002 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії Міністерства аграрної політики України

Науковий консультант: Офіційні опоненти: Провідна установа: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Дубровін Валерій Олександрович, Національний аграрний університет, директор Науково-дослідного інституту техніки та технологій. доктор технічних наук, старший науковий співробітник Гуков Яків Серафимович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, директор; доктор технічних наук, професор Корабельський Валерій Іванович, Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри нарисної геометрії і інженерної та комп'ютерної графіки; доктор технічних наук, професор Хелемендик Микола Михайлович, Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарських машин. Кіровоградський державний технічний університет, кафедра сільськогосподарського машинобудування, Міністерства освіти і науки України, м. Кіровоград.

Захист відбудеться 24 вересня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного аграрного університету: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к.41.

Автореферат розісланий 22 серпня 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради ___________________ Войтюк Д.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність і ступінь дослідження проблеми. Спеціалізація наук, що спрямовані на дослідження процесів механізованого виробництва рослинної продукції (землеробство, механізація, ґрунтознавство, механіка ґрунтів, тощо), сприяє поглибленню знань відносно окремих елементів системи “ґрунт–рослина–машина”. Водночас, це супроводжується недостатнім рівнем досліджень процесів комплексної взаємодії між складовими ланками даної системи, що власне обумовлюють якість механізованого обробітку ґрунтів в умовах сільськогосподарського виробництва. Протиріччя між енергонасиченістю сільськогосподарської техніки, зокрема, ґрунтообробних машинно-тракторних агрегатів, і здатністю ґрунтів протистояти регулярному техногенному впливу виявляються у переущільненні орних і підорних горизонтів, створенні плужної “підошви”, розпиленні структури, скороченні вмісту гумусу, посиленні процесів водної і вітрової ерозії. Отже, при створенні нової ґрунтообробної техніки, локально одержані для загального використання технічні та технологічні рішення, що не враховують комплексний характер процесів механізованого обробітку ґрунту, часто виявляються неефективними та навіть екологічно небезпечними.

Механічний обробіток ґрунту є важливою ланкою зональних систем землеробства. Це один з найбільших ресурсномістких прийомів, частинка якого в структурі прямих витрат на виробництво окремих видів рослинної продукції складає 35…40 %. Механічна енергія при його виконанні витрачається як на здійснення технологічного процесу, так і на шкідливі ущільнення та розпилення ґрунту. Проте, існуючи підходи щодо розробки механізованих технологій і технічних засобів для обробітку ґрунту спрямовані, як правило, лише на вирішення проблем питомого тягового опору та продуктивності грунтообробних машин. Вони не синтезують вирішення проблеми механізації обробітку ґрунту в удосконаленні системи ”ґрунт Ы рослина Ы машина Ы техніко-економічна доцільність”. Таким чином, недосконалість традиційних механізованих технологій, що базуються на одноопераційних грунтообробних машинах і універсальних робочих органах, призводить до невиправданих втрат енергії та прогресуючої деградації ґрунтів. У зв'язку з цим, обґрунтування комплексної методики розробки адаптованих, сумісних з концепцією “точного землеробства”, технологій та технічних засобів механізованого обробітку ґрунту на основі узагальненої оцінки факторів, що визначають взаємодію основних елементів системи та техніко-економічну доцільність прийнятих рішень, є актуальним і має велике народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися в Таврійській державній агротехнічній академії (ТДАТА, м. Мелітополь) у 1987-2001 рр. відповідно до тематичних планів науково-технічних програм: ДКНТ СРСР 0.51.12 (завдання 03,04), МСГ СРСР – 0.сх.71, державними “Продовольсто-95” (проект “Система машин”) і “Агропродкомплекс”, та держбюджетними угодами з МСГ СРСР, Мінсільгосппродом України та Міністерством АПК України (1989 -1997 р.) і ВНДІЗГ по НЗ Росії.

Мета досліджень – забезпечення необхідного рівня ресурсозаощадження в механізованих технологіях обробітку ґрунтів з врахуванням їх агрофізичних властивостей.

Завдання досліджень:

·

· дослідити процеси взаємодії ґрунтообробних робочих органів з ґрунтом з врахуванням зональних технологічних завдань;

· визначити адаптовані до зональних особливостей ґрунтів конструктивно-технологічні параметри ґрунтообробних машин різних типів, що створені на базі подрібнювальних, розпушувальних, ущільнюючих та сепаруючих робочих органів, здатних формувати диференційний агрегатний склад орного горизонту;

·

·

Об'єкти досліджень – механізовані технології та технічні засоби обробітку ґрунту як елементи зональних систем землеробства.

Предмет досліджень – умови та закономірності функціонування робочих органів ґрунтообробних машин у процесі взаємодії з ґрунтовим середовищем.

Методи досліджень. Механіко-технологічне обґрунтування параметрів і режимів роботи робочих органів ґрунтообробних знарядь здійснено шляхом моделювання з застосуванням ПЕОМ на підставі положень теоретичної, землеробської та будівельної механіки ґрунтів. Дослідження агрофізичних властивостей ґрунтового середовища виконувались на підставі розроблених та загальноприйнятих методик. Експериментальні дослідження проводились за загальними та новими методиками і передбачали використання тензометрування, відеозйомки, методів планування багатофакторних експериментів, тощо. Обробку дослідних даних здійснено з застосуванням теорії ймовірностей, регресійного та кореляційно-спектрального аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у:

·

· обґрунтуванні узагальнених і вдосконалених математичних моделей взаємодії основних типів робочих органів грунтообробних знарядь із ґрунтом та критеріїв оптимізації цих процесів;

·

· розробці і апробації удосконаленої методики визначення агрофізичних властивостей орного горизонту на момент його механізованого обробітку;

· визначенні впливу параметрів, що характеризують будову орного горизонту в результаті механізованого обробітку ґрунту, на врожайність сільськогосподарських культур;

· синтезі нової методики визначення конструктивно-технологічних параметрів грунтообробних машин з застосуванням робочих органів-аналізаторів;

· розробці нових технологій та засобів механізації обробітку ґрунту (які захищені патентами № 2277А, 41108А, 1819118 та інш.).

Практичне значення одержаних результатів. На підставі отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень:

·

· обґрунтовано конструктивно-технологічні та кінематичні параметри адаптованих робочих органів для безполицевого обробітку ґрунту;

· розроблено вихідні вимоги та поставлено на виробництво борону дискову садову (ВР 46.1604.30-96) та двохслідну дискову борону, в яких враховано особливості грунтово-кліматичних умов півдня України;

· синтезовано комбіновану ґрунтообробну машину сепаруючого принципу дії для передпосівного обробітку ґрунту для формування раціонального фракційного складу посівного і надпосівного шарів ґрунту, що сприяє підвищенню врожайності зернових культур на 5-7 %;

· обґрунтовано конструктивно-технологічні параметри, режими роботи і методику вибору котків відповідно до умов їх використання.

Реалізована в даній роботі концепція розробки ресурсозберігаючих технологій та технічних засобів обробітку ґрунту на основі комплексного підходу знижує у декілька разів матеріальні витрати та час на розробку і створення нових і оцінку існуючих ґрунтообробних машин в зональних технологіях, а її застосування забезпечує за результатами польових експериментів реальний приріст врожайності зернових культур на 10...12 % при зменшені енерговитрат на 20...25 %.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці та апробації комплексної методики створення і оцінки механізованих технологій та технічних засобів обробітку ґрунту, опрацюванні і аналізі механіко-математичних моделей взаємодії ґрунтообробних робочих органів з ґрунтом, в обґрунтуванні комплексних критеріїв оптимізації параметрів робочих органів ґрунтообробних машин, одержанні регресійних залежностей, що пов'язують параметри будови орного горизонту з врожайністю с.-г. культур, розробці окремих оригінальних методик експериментальних досліджень і обробки отриманих результатів, постановці та проведенні експериментальних досліджень, розробці і практичній реалізації технологічних схем макетних зразків ґрунтообробних машин (двослідних дискової та садової борін, знарядь для безполицевого обробітку ґрунту, комбінованого ґрунтообробного агрегату, ґрунтообробної машини для передпосівного обробітку ґрунту, робочих органів для прикочування).

Апробація результатів дисертації. Основні положення результатів дисертаційної роботи представлені на науково-технічних конференціях МІМСГ-ТДАТА (1987…1999 рр.), КСГІ (Симфірополь, 1988 р.), ВСГІЗН (Москва, 1989 р.), ХІМЕСГ (Харьків, 1990 р.), ВДНГ СРСР (Москва, 1987 р.), Всесоюзних науково-технічних конференціях "Пути повышения плодородия пахатного горизонта" (Новосибірськ, 1989 р.), “Современные проблемы земледельческой механики” (Мелітополь, 1989 р.), "Научно-технический прогресс в АПК" (Мінськ, 1990 р.), “Обработка почвы и ее экологические аспекты” (Херсон, 1990 р.), “Енергозберігаючі технології та технічні засоби для виробництва сільськогосподарської продукції” (УНДІМЕСГ, Глеваха,1991 р.), міжнародних конференціях ISTRO (Україна, Мелітополь, 1993 р. та Чехія, Брно, 1999 р.), на міжнародних симпозіумах: “Ekologiczne aspekty mechanizacij nawozenia ochrony roslin i uprawy gleby” (Польща, Варшава, 1994-2000 р.), “Technika i technologie w wybranych dzialach produkcji roslinnej” (Польща, Кельце, 1998 і 2001 р.), "Problemy budowy oraz eksploatacji maszyn i urzadzen rolniczych" (Польща, Плоцьк, 1994-2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (Україна, Мелітополь, 2001 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 60 працях, серед яких монографія (видана 3-ма мовами) і 6 патентів та авторських свідоцтв. Загальний обсяг опублікованих робіт складає близько 24 друкованих аркуші.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 211 найменувань та 11 додатків на 103 стор. Дисертація викладена на 297 стор. машинопису і включає 36 таблиць та 130 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан та перспективи розвитку механізації обробітку ґрунту в зональному аспекті. Одержання високих врожаїв сільськогосподарських культур неможливо без широкого застосування науково обґрунтованих зональних систем землеробства, де їх складовою частиною є раціональні системи механізованого обробітку ґрунту. В переліку заходів механізованого обробітку ґрунту на перший план висувається проблема досягнення відповідності показників роботи ґрунтообробних машин вимогам с.-г. культур, що вирощуються. Створення зональних систем технологій і окремих прийомів механізованого обробітку ґрунту, відповідно зонально адаптованих робочих органів вимагає підходу, що інтегрує новітні досягнення землеробської механіки, ґрунтознавства, землеробства, рослинництва, інформаційних технологій та інших наукових напрямків. Існує реальна необхідність створення комплексної методики оцінки якості технологій та технічних засобів обробітку ґрунту, що враховує показники агрофізичних властивостей ґрунту. Наукові праці В.П.Горячкіна, П.М.Василенка, Л.В.Погорілого, В.В.Медведєва, Г.М.Синеокова, О.Н.Соколовського, Ю.Ф.Новікова, А.С.Кушнарьова, І.М.Панова, В.О.Сакуна, П.М.Бурченка, М.Н.Нагорного, М.К.Лінника, Я.С.Гукова, В.С.Глуховського, А.І.Панченка, В.І.Корабельського, М.М.Хелемендика, Д.Д.Прокопенка, В.О.Дубровіна, М.Є.Овсинського, О.О.Измаїльського, І.У.Бахтіна, М.О.Качинського, М.К.Шикули, Н.Е.Щербака, H.Bernacki, Cz. Kanafojski, J.Kuchevsky, Н.Domzal, F.Terbrugge, Н.Petelkau та інших вчених стали основою розробки і реалізації методики проектування технологій та технічних засобів обробітку ґрунту.

Для того, щоб перейти до механізованого обробітку ґрунтів з врахуванням їх агрофізичних показників, необхідно створити інформаційні бази даних для різних ґрунтово-кліматичних зон з щільності, оптимального структурного складу, фізико-механічних і реологічних показників стану ґрунтового середовища, поточної і прогнозованої його вологості на момент обробітку, систематизованих конструктивно-технологічних параметрів і показників роботи робочих органів ґрунтообробних машин. Аналіз цієї інформації складає основу до створення узагальнених та уточнених механіко-математичних моделей процесів механізованого обробітку ґрунту, є базою розробки зональних технологій і технічних засобів, з подальшим вирішенням завдань на ПЕОМ.

На базі проведеного аналізу розроблено концепцію створення і оцінки технологій та технічних засобів обробітку ґрунту під основні сільськогосподарські культури з урахуванням агрофізичних властивостей ґрунтів, яка передбачає послідовно: визначення показників раціонального стану ґрунтового середовища, що потребує культурна рослина в даних умовах (рис.1); обґрунтування узагальнюючих критеріїв оцінки машин і технологій обробітку ґрунту; розробку ґрунтообробних робочих органів-аналізаторів різних типів; аналіз якісних та енергетичних показників їх роботи відповідно до вимог рослин та особливостей ґрунтів; вибір параметрів робочих органів і компоновочних схем ґрунтообробних машин з врахуванням конкретних зональних умов; розробку відповідних адаптивних технологій та ґрунтообробних машин за рахунок створення диференційованого по глибині шару ґрунту послідовним застосуванням робочих органів основних типів.

Реалізація даної концепції з викладом основних методичних підходів створює технологічне підґрунтя для розвитку агрофільних технологій та засобів механізованого обробітку ґрунту в Україні. На цій основі сформульовано відповідні завдання досліджень.

Розділ 2. Механіко-технологічне обґрунтування параметрів робочих органів ґрунтообробних машин з врахуванням особливостей їх роботи. З врахуванням технологічних завдань, що стоять перед новим поколінням ґрунтообробної техніки, досліджено та адаптовано до зональних умов чотири основних типи робочих органів ґрунтообробних машин:

·

· розпушувальні (розпушувальні лапи різного виду з жорсткими або пружними стійками);

· сепаруючі (здатні формувати диференційний агрегатний склад орного горизонту);

· ущільнюючі (котки).

З огляду на широку диференціацію агрофізичних властивостей ґрунту кожен з цих типів робочих органів потребує певного удосконалення. Застосування сукупності даних робочих органів у складі грунтообробних агрегатів на 70-95 % вирішує завдання, пов'язані з механізованою підготовкою ґрунту.

Подрібнювальні робочі органи широко представлені в системі машин. Діапазон умов застосування дискових ротаційних робочих органів дуже широкий, тому агротехнічні та енергетичні показники їх роботи часто не відповідають сучасним вимогам у зональному аспекті.

Розроблено узагальнену математичну модель взаємодії сферичних дискових робочих органів із ґрунтом з забезпеченням умови стійкості ходу диска за глибиною обробітку при мінімальному питомому тяговому опорі знаряддя (рис.2).

Система диференційних рівнянь руху частинки ґрунту масою m сферичною поверхнею, що обертається, має вигляд :

Представлена система рівнянь (1) використана для оптимізації параметрів сферичного диска за критерієм стійкості ходу диска по глибині за умов одержання мінімально можливого питомого опору. В даному випадку це означає, що проекція нормальної реакції ґрунту, який рухається по диску, на вертикальну вісь прямує до максимуму, а на напрям руху – до мінімуму:

.

При цьому зовнішня поверхня сфери не повинна торкатися стінки борозни. Це виконується коли кут торкання в площині поверхні ґрунту до поверхні диска () менший за кут атаки (). Проаналізовано вплив геометричних параметрів диску на розподіл сил, що визначають рівномірність його руху по глибині та енергомісткість обробітку ґрунту (рис.3). Встановлено значний вплив кута атаки, діаметра і радіуса сфери диска та його питомого навантаження на показники якості і енергомісткості роботи дискових знарядь. Для виконання умови стійкості руху по глибині при мінімально можливому питомому тяговому опорі кут атаки та діаметр диска необхідно розглядати у прямому взаємозв'язку із радіусом його сфери і навпаки. Визначено, що кожному куту атаки відповідає певне раціональне значення співвідношення радіуса сфери до діаметра диска (R/D). Тобто, регулювання кута атаки дискових борін призводить до невідповідності їх конструктивно-технологічних параметрів умовам роботи.

Розпушувальні робочі органи призначені для керуванням станом ґрунту за щільністю при створенні в ньому мінімальних нормальних напруг. Тому розпушення ґрунту робочими органами доцільно виконувати за рахунок деформацій розтягу, зрушення і згину, що покладено в основу розробки критерію оптимізації цього процесу.

Розроблено математичну модель (2) процесу переміщення елемента ґрунту поверхнею розпушувального робочого органу, що задана напрямною і твірною видів та (рис.4):

Дана модель дозволяє за раціональною траєкторією руху частинки ґрунту при найменшому його переміщенні проектувати і досліджувати складні просторові поверхні робочих органів. Для забезпечення якості розпушення при зниженні енергомісткості процесу робочий орган повинен створювати у шарі ґрунту деформації розтягу, зрушення і згину.

Розроблене програмне забезпечення дало можливість моделювати різні варіанти робочих поверхонь та аналізувати траєкторії руху по них елементарних частинок ґрунту. Якщо при русі по поверхні дві сусідні частинки мають траєкторії, що відрізняються при сході з поверхні на зміщення eу (eу – деформація межі пружності, eу і0.0018 для темно-каштанових ґрунтів), то шар ґрунту на такій поверхні зруйнується. Збільшення eу призводить до зростання шляху руху частинок ґрунту по поверхні та втрат на тертя (рис.5).

Якщо для поверхні ріжучого лемеша всі траєкторії руху будуть паралельні одна одній, то для криволінійних поверхонь вони можуть розходитись, або сходитись. На важких ґрунтах з метою зменшення тягового опору ріжуче лезо доцільно виконувати ступінчастим, що забезпечує зменшення питомого тягового опору знаряддя до 30%.

Запропоновано технологічну схему агрегату для передпосівного обробітку ґрунту де в якості подрібнювальної групи робочих органів застосовано диски, а для поверхневого – Х-подібні робочі органи. Пружні робочі органи у складі комбінованого агрегату для поверхневого обробітку ґрунту в залежності від технологічних завдань повинні виконувати поверхневий обробіток ґрунту на глибину до 16 см та передпосівний на 6-8 см, бути адаптованими під конкретні технологічні задачі. Реалізація даних схем забезпечує створення необхідного агрегатного складу орного горизонту в умовах недостатнього зволоження.

Розроблено математичні залежності, що описують процес взаємодії пружного робочого органу з ґрунтом, побудовано амплітудно-частотні характеристики пружної стійки за умови її роботи в межах допустимого відхилення глибини руху розпушуючої лапи від заданої в визначеному робочому діапазоні та при збереженні її коливальних властивостей. Застосування розробленого методичного та програмного забезпечення при проектуванні S-подібних робочих органів дозволяє оцінювати їх відповідність агротехнічним вимогам.

Обґрунтовано технологічну схему та параметри ґрунтового сепаратора машини для передпосівного обробітку ґрунту (рис.6), які задовольняють вимоги сільськогосподарських рослин до посівного і надпосівного шарів з позиції одержання максимально-можливого врожаю в конкретних грунтово-кліматичних умовах. Процес взаємодії прутків сепаратора із ґрунтом (рис.7) включає три етапи: І – занурення прутків у ґрунт і їх взаємодія із частинками ґрунту; ІІ – транспортування частинок ґрунту; ІІІ – перевантаження ґрунту на другий прутковий барабан.

Розроблено математичну модель (3) процесу руху частинки ґрунту поверхнею прутка з врахуванням його залежності від зміни радіусів сепаруючих барабанів і їх кінематичних режимів роботи, глибини обробітку та агрофізичних властивостей ґрунту:

Задаючи поверхню прутка у вигляді поліному визначено його коефіцієнти, що задовольняють умові: S = f (a0 , a1,…an) ® max, де S – шлях, пройдений часткою по прутку за час взаємодії його з ґрунтом. Визначено форму робочої поверхні прутка, яка при Rс = 0,3 м; z = 6; h = 0,08 м, n = 60 хв –1; V = 2,2 м/с описується залежністю Y = -0,234 + 0,607ЧХ + 29,04ЧХ2. За цих умов досягається мінімальний розпил частинок ґрунту на поверхні прутків.

Робочі органи для ущільнення – котки створюють в ґрунті задану однорідну щільність ґрунту. Розроблено математичну модель взаємодії даних робочих органів з ґрунтом, яка враховує усадку нижнього шару в момент його деформації котком.

Для випадку з прутковим котком враховано відстані між прутками “l”: . Одним з шляхів обліку реологічних характеристик деформованого середовища є об'єднанні рішення контактної задачі з задачею Фламана для пружного напівпростору. На його підставі можна визначити діюче в ґрунті напруження (), а потім визначити щільність ґрунту (). При розрахунку щільності безструктурних ґрунтів необхідно враховувати вплив ваги верхнього шару ґрунту (Dr), тому . Реалізація моделі на ПЕОМ дозволила визначати щільність ґрунту при різному його стані, навантаженні і конструктивно-технологічних параметрах котка.

Розроблені моделі взаємодії робочих органів з ґрунтом враховують його агрофізичні та реологічні властивості і служать основою створення адаптивних ґрунтообробних машин.

Розділ 3. Методичні основи розробки та удосконалення технологій та технічних засобів механізації обробітку ґрунту. Розроблено комплексну методику, яка спрямована на оцінку і розробку технологій та технічних засобів обробітку ґрунту, що задовольняють вимогам отримання максимально можливої врожайності с.-г. культур у конкретних грунтово-кліматичних умовах. В основу методики закладено селективний відбір параметрів робочих органів адаптивних грунтообробних машин в результаті багатофакторного експерименту. Підкреслимо, що дані дослідження комплексно характеризують агрофізичні властивості орного і посівного шарів ґрунту у конкретній грунтово-кліматичній зоні за умов мінімалізації енерговитрат в процесі обробітку ґрунту. Розроблено відповідне наукове-методичне і програмне забезпечення для реалізації концепції створення і оцінки технологій та технічних засобів обробітку ґрунту під основні сільськогосподарські культури з урахуванням агрофізичних властивостей ґрунтів.

Методика визначення показників стану ґрунтового середовища в період його механічного обробітку обумовила визначення реологічних показників ґрунтів різних типів в залежності від їх вологості і щільності, а саме: модуля пружності при деформаціях об'ємних (Е, Н/см2) та зрушення (Gу, Н/см2), коефіцієнта в'язкості при деформаціях об'ємних (mv, НЧс/см2) і зрушення (h, НЧс/см2). В методиці обґрунтовано універсальну характеристику міцності ґрунту з позиції його опору руйнуванню.

Визначення агрофізичних властивостей орного горизонту проведене з використанням базових методик ННЦ ІГА УААН ім. А.М.Соколовського. Одержані на протязі 10-ти років в зоні південного степу України результати мікроділяночних експериментів (МДЕ), що передбачали моделювання диференційованої структури в механічно обробленому горизонті ґрунту під озимі і ярові зернові культури, охарактеризували два типові за умовами зволоження ґрунтів варіанти – з нормальним (W = 13...16 %) і недостатнім (W = 9...13 %) зволоженням. Комплексним критерієм оптимізації агрофізичних властивостей обробленого орного горизонту обрано врожайність (Q) с.-г. культури. Відносно озимих і ярових зернових культур опрацьовано основи визначення впливу вмісту структурних агрегатів механічно обробленого ґрунту на кінцевий результат.

Обґрунтовано методику вибору параметрів та режимів роботи сферичних дисків із застосуванням робочих органів-аналізаторів. Встановлено, що при взаємодії сферичних дискових робочих органів з ґрунтом визначальними конструктивно-технологічними параметрами диска є: радіус сфери – R (мм), діаметр диска – D (мм) і приведений параметр – D/n, де n – кількість вирізів (зубів) на вирізному диску. Діапазон варіювання передбачає усі можливі співвідношення між конструктивно-технологічними параметрами D, R і n. Окремими критеріями оптимізації параметрів та режимів роботи сферичних дисків визначено: – питомий тяговий опір (Н/см);– середнє квадратичне відхилення глибини обробітку ґрунту (см); – якість розпушення ґрунту (%). Запропоновано комплексну оцінку параметрів та режимів дискових робочих органів, яка враховує якісні та енергетичні показники роботи, що реалізовано при їх проектуванні.

Оцінку стійкості руху дискових робочих органів по глибині обробітку проведено з застосуванням кореляційно-спектрального аналізу.

Розроблено методику вибору параметрів та режимів роботи розпушувальних лап з застосуванням робочих органів-аналізаторів.

Параметри форм поверхонь розпушувальних лап машин для безполицевого обробітку ґрунту зведено до трьох різновидів твірної та направляючої кривих, що лежать в основі поверхні, а саме: прямої, випуклої та увігнутої кривих.

Формалізовані поверхні робочих органів у горизонтальній і вертикальній площинах проекцій описуються кривими виду: у = а0 + а1х + а2x2 - а3х3, а характер кривих визначається опорними точками А1 – у горизонтальній і А – у вертикальній площинах проекцій (рис.9). В межах раціональної зміни параметрів, з допомогою робочих органів-аналізаторів, оцінюють серійні та опрацьовано нові робочі органи культиваторів для безполицевого обробітку ґрунту за критеріями оптимізації: Y3 – процентний вміст фракції розміром 1...50 мм у шарі 8...18 см, % та Z – питомий тяговий опір розпушувальної лапи, кН/см.

Запропоновано методику вибору параметрів та режимів роботи складових органів комбінованого агрегату для поверхневого обробітку грунту, який включає 3-и елементних групи – подрібнювальну (Х-подібні ротаційні борони), розпушуючу (S-подібні пружні розпушувальні лапи) і ущільнюючу (пруткові котки). Обумовлено визначальні параметри, що впливають на якість роботи секцій ротаційних Х-подібних робочих органів, а саме: діаметр ротора – D, відстань між осями батарей роторів – L, відстань між ножами ротора в батареї – lх (рис.10,а). Визначено, що зміни тягового опору у межах раціонального варіювання параметрів Х-подібних ротаційних робочих органів є незначним. Тому критерієм оптимізації параметрів робочих органів подрібнювальної групи прийнято якість розпушення ґрунту (%) в поверхневому шарі 0...10 см.

Механіко-технологічним аналізом S-подібних пружних робочих органів обґрунтовано параметри S-подібної стійки в комплекті із стрілчастою лапою. Чинниками, що впливають на якість роботи пружних розпушувальних лап, визначені: глибина обробітку грунту – h (Х1), відстань від дна борозни до площини кріплення пружної стійки – l (Х2), пружність ресор – С (Х3), виліт носка робочого органу відносно площини кріплення пружної стійки до бруса рами – L ( Х4) (рис.10,б). Визначення параметрів пружних робочих органів розпушуючої елементної групи проведено за тяговим опором (Rх) та середньоквадратичним відхиленням глибини обробітку ґрунту від заданої (s).

Розроблено методику визначення параметрів взаємного розміщення робочих органів та режимів роботи машини для сепарації ґрунту, а саме: z1 – зазору між прутками на барабанах, z2 – кута розташування вісі другого барабана відносно першого, z3 – співвідношення обертів першого і другого барабанів (рис.6). Окремими критеріями оптимізації параметрів ґрунтового сепаратору визначено процентні вмісти агрегатів ґрунту після проходу машини: Y1 – розмірами 10-20 мм у шарі 0...4 см та Y2 – 0,25-5 мм у шарі 4...8 см.

Запропоновано загальну методику вибору параметрів та режимів роботи котків, зокрема кільчасто-зубового, кільчасто-шпорового, гладкого-водоналивного, а також, пруткових – легких до сівалок і важких до комбінованих ґрунтообробних агрегатів, яка служить підґрунтям до створення нових конструкцій. Враховано вплив робочих органів для ущільнення на пошарову щільність ґрунту та врожайність с.-г. культур в різних грунтово-кліматичних зонах. У процесі дослідження взаємодії котків із ґрунтом за конкретних умов роботи при змінах питомого навантаження – Р, кратності проходів – n і робочої швидкості агрегату – Vк критеріями оцінки параметрів та режимів роботи котків прийняті щільність ґрунту (r) в шарах від 0 до 30 см при певній вологості (W), середньоквадратичне відхилення щільності (sr) і врожайність с.-г. культури (Q):

Опрацьовано окремі методики визначення щільності ґрунту до і після проходу котків із використанням радіоізотопного приладу РПП-2 та її розрахунку на ПЕОМ в шарі 0…20 см для визначених типів ґрунтів у діапазоні вологості 16-28 %. Обумовлено створення інформаційного масиву даних для оцінки неоднорідності щільності ґрунту в шарах 0...5 і 5...10 см.

Отже, розроблено методичну базу та її програмне забезпечення створення і оцінки технологій та технічних засобів різних типів для обробітку ґрунтів на базі їх агрофізичних показників в конкретних умовах, що, після її експериментальної апробації, дозволило створити комплексну методику розробки і оцінки технологій та технічних засобів обробітку ґрунтів.

Розділ 4. Основні результати експериментальних досліджень технологій та технічних засобів механізації обробітку ґрунту. В результаті експериментальних досліджень показників стану ґрунтового середовища встановлено, що при вивченні процесів механічного впливу на ґрунт робочих органів грунтообробних машин слід обмежитись фізико-механічними і реологічними показниками ґрунтів, які в достатній мірі характеризують їх властивості в період механічного обробітку. Отримані рівняння регресії використано в розрахункових моделях, що визначають якісні та енергетичні показники роботи ґрунтообробних машин на різних за механічним складом, вологістю та щільністю ґрунтах. Доведено, що ґрунти різного механічного складу при певних значеннях вологості мають на момент механічного обробітку однакові реологічні показники. Такий стан ґрунтів, що порівнюються, можна вважати ідентичним з позицій їх механічного обробітку (розпушення чи ущільнення). Систематизація ґрунтів за реологічними показниками у взаємозв'язку з їх вологістю дозволяє аналізувати та оцінювати показники роботи ґрунтообробної техніки в різних умовах, розширює діапазон застосування механізованих технологій та технічних засобів у зональному аспекті. Експериментально підтверджено, що співвідношення напружень стиску та розтягу для ґрунтових зразків можна представити у вигляді sс/sр = tg(45°+j/2)/tg(45°-j/2). Це дозволяє механізм руйнування моноліту ґрунту, з прийнятими припущеннями, описувати теорією міцності Кулона-Мора. Співвідношення sс/sр використано в практичних розрахунках як комплексний критерій оцінки міцності ґрунтів.

Отримано регресійні моделі впливу агрофізичних показників складу орного горизонту в період його механічного обробітку на врожайність с.-г. культур для визначених грунтово-кліматичних умов (рис.11). Відповідне рівняння регресії для озимої пшениці (1992 р.) має вигляд:

Q =338,46+8,8Y1+43,80Y2+6,24Y3-4,74Y4+19,64Y1Y2+14,16Y1Y3-44,50Y1Y4+ +36,16 Y2Y4-18,16 Y3Y4-103,18Y21+49,62Y22-109,04Y23-39,20 Y24.

При цьому Qmax = 38 ц/га при Y1 = 59,44 %, Y2 = 79,60 % , Y3= 63,30 %, Y4 = 1,23 г/см3,

де Q – врожайність озимої пшениці (врожайність озимої пшениці за загальноприйнятою технологією у МДЕ склала Qз = 29 ц/га); У1 – процентний вміст структури з розміром агрегатів 10...20 мм у поверхневому шарі 0...4 см, %; У2 – процентний вміст структури з розміром агрегатів 0,25...5 мм у посівному шарі 4...8 см, %; У3 – процентний вміст структури з розміром агрегатів 1...50 мм у шарі 8...18 см, %; У4 – щільність ґрунту в шарі 4...8 см, г/см3.

Результати мікроділяночних експериментів, поставлених у різних грунтово-кліматичних зонах з відмінними за зволоженням умовами під зернові культури, складають банк даних, на основі якого розроблено технології і технічні засоби механізованого обробітку ґрунту з врахуванням агрофізичних властивостей ґрунтів. Визначено, що орний горизонт для досягнення максимально-можливої врожайності в грунтово-кліматичних умовах півдня України після механічного обробітку повинен мати диференційований за глибиною склад, що умовно розділено на три шари: надпосівний (агрегатів розміром 10-20 мм близько 55 %), посівний (агрегатів розміром 0,25…5 мм близько 80 %) і підпосівний (агрегатів розміром 1-50 мм близько 60 %). Щільність ґрунту в шарі 0-10 см повинна складати 1,22-1,24 г/см3. Дана інформація є основою при оцінці існуючих і розробці нових механізованих технологій та робочих органів ґрунтообробних машин для грунтово-кліматичної зони півдня України.

Лабораторно-польовими дослідженнями дискових робочих органів встановлено закономірності впливу їх конструктивно-технологічних параметрів та режимів роботи на агротехнічні та енергетичні показники технологічного процесу дискування, які підтверджують попередні теоретичні результати. Встановлено, що фактори D, R і n суттєво взаємодіють між собою та впливають на показники роботи. На основі одержаних регресійних моделей (4) при умові, що ® 1…1,10Ч, ® 1…1,05Ч, ®= 0,17 ± 0,01, де Y1 = 0.17 в розкодованому виді складає близько 59 %, визначено раціональні параметри дисків для обробітку стерньових фонів із підвищеною щільністю ґрунту (r=1,29...1,39 г/см3) та при їх використанні у садах (D=450 мм, R=650 мм, n=8 при b=200 і V=7-8 км/год.). При роботі на фонах із меншою щільністю ґрунтів, необхідності отримання вирівняного дна борозни, коли немає потреби у повному подрібненні листостеблової маси, доцільно використовувати невирізні диски (D = 450 мм, R = 610 мм, n=0 при a = 200 і V = 7-8 км/год.). Для оцінки стійкості руху дискових робочих органів по глибині побудовано автокореляційні функції r(t) та спектральні щільності S(w) процесів, що характеризують процес взаємодії дисків з ґрунтом у динаміці. Доведено, що у гладких сферичних дисків стійкість руху визначається кривизною поверхні і кожному куту атаки a відповідає раціональне співвідношення R/D. Раціональні параметри диску призводять до зменшення його питомого тягового опору та підвищують стійкість руху робочих органів при низькому питомому навантаженні на диск. Це дозволяє зменшити вагу знаряддя в порівнянні з серійними. Дискова борона з новими робочими органами переважала серійний аналог за якісними та енергетичними показниками, зокрема її питомий тяговий опір нижче на 24,6%, стійкість руху робочих органів по глибині вища на 69,1%, а якість кришення – в 1,8 рази.

Експериментально підтверджено теоретичне положення щодо можливості приведення ґрунту в оптимальний за щільністю стан за рахунок створення в ньому робочими органами ґрунтообробних машин мінімальних нормальних напруг, які викликаються деформаціями розтягу, зрушення і згину. Встановлено, що зусилля, які виникають при цих деформаціях, не руйнують структуру ґрунту і знижують енерговитрати на його обробіток. Лабораторно-польовими дослідженнями реалізовано матриці планування експериментів, оброблено результати та отримано рівняння регресії, що адекватно описують процес взаємодії розпушуючої лапи з ґрунтом у трьох діапазонах швидкостей. Графічну інтерпретацію даних результатів наведено на рис.12. Так, при швидкості руху V3 = 2.45 м/с:

Результати з обґрунтування раціональних параметрів безполицевого робочого органа покладено в основу методики проектування розпушувачів у залежності від умов їх використання.

З регресійних моделей взаємодії з ґрунтом робочих органів-аналізаторів для безполицевого обробітку, вирішенням компромісної задачі на ПЕОМ, одержані рівняння поліномів, які описують раціональну форму поверхні розпушуючої лапи у подовжньо-вертикальній (Уv1=0,04-0,71ЧХ+0,98ЧX2+35ЧX3) та поперечно-горизонтальній (Уg1= 0,62-1,03ЧX-3,35ЧX2+5,92ЧX3) площинах проекцій. Встановлено істотний вплив швидкості руху на геометричні параметри робочого органу для безполицевого обробітку ґрунту.

Порівняльною оцінкою жорстких розпушуючих лап з серійними, які встановлені на КПШ-5, визначено, що при застосуванні розроблених лап якість розпушення ґрунту зросла на 43,5%, питомий тяговий опір знаряддя зменшився на 19,3 %, стійкість ходу по глибині збільшилась на 23,1% при швидкості 2,2-2,5 м/с.

В процесі лабораторно-польових досліджень комбінованого ґрунтообробного агрегату для поверхневого обробітку ґрунту та обробки результатів визначені раціональні параметри Х-подібних робочих органів для різних швидкостей руху агрегату при умові, що Yх®max (рис.13).

З допомогою амплітудно-частотної характеристики пружної стійки на стадії проектування S-подібних робочих органів проаналізовано можливості виконання нею конкретних технологічних завдань. Досліджено процес взаємодії S-подібних пружних робочих органів з ґрунтом та визначено їх параметри (рис.14).

Встановлено раціональні параметри робочих органів комбінованого агрегату для виконання поверхневого (на глибину до 16 см) та передпосівного (на глибину до 8 см) обробітків ґрунту, з врахуванням послідовності розміщення подрібнювальної та розпушувальної груп робочих органів.

Розроблено комбінований ґрунтообробний агрегат для поверхневого обробітку ґрунту АМК-2.7, який у порівнянні з серійним аналогом ККП-3.7 дозволив зменшити питомий тяговий опір на 16…21%, витрати пального – на 20...30%, підвищити якість розпушення на 30...35 % і стійкість руху робочих органів за глибиною в 1.2-1.7 рази.

В результаті проведених лабораторно-польових досліджень та обробки результатів отримані рівняння регресії, що адекватно описують процес взаємодії сепаратора барабанного типу для передпосівного обробітку з ґрунтом (рис.15) та визначені параметри і режими його роботи на основі системи рівнянь:

DQ = Qmax – Qi ® min;

Qi =338,46+8,8ЧY1+43,80ЧY2+6,24ЧY3-4,74ЧY4+19,64ЧY1Y2+14,16ЧY1Y3-44,50ЧY1Y4+

+36,16ЧY2Y4 -18,16ЧY3Y4 -103,18ЧY21+49,62ЧY22 -109,04ЧY23 -39,20ЧY24;

Y2 = 72.8 - 1.83Чz1 + 1.33Чz2 - 0.33Чz3 -1.17Чz1z2 +1.42Чz2 z3 -0.17Чz1 z2 z3 - 0.54Чz12 - 3.30Чz22 - 5.37Чz32;

Y1 = 42.02 +1.14Чz1 -1.70Чz2 +1.72Чz1z2 -1.34Чz1z2z3 +5.86Чz12 -1.09Чz22 -0.67Чz32 ,

Раціональними конструктивно-технологічними параметрами та режимами роботи ґрунтового сепаратора барабанного типу, що уможливлює розподіл ґрунту за фракціями в орному горизонті, визначені: зазор між прутками на барабані – z1=5 мм, кут розташування вісі другого барабана відносно першого – z2=22°, співвідношенням обертів першого і другого барабанів – z3=1:1,4. Застосування ґрунтового сепаратору у складі машини для передпосівного обробітку ґрунту в умовах півдня України дозволяє збільшити врожайність зернових культур на 25.1 % в порівнянні з серійними аналогами. Науково-виробнича перевірка макетного зразка засвідчила виконання ним вимог щодо диференційованого розподілу ґрунту за фракціями по глибині обробітку. Додатково, ґрунтовий сепаратор здійснює винесення кореневої системи бур'янів на поверхню поля, що дозволило використовувати дану машину для механічної боротьби з бур'янами.

За результатами експериментальних досліджень п'яти типів котків в умовах двох грунтово-кліматичних зон одержано рівняння регресії, що характеризують зміну щільності ґрунту у шарах в залежності від типу котка і режимів його роботи та описують вплив питомого навантаження і робочої швидкості кільчасто-зубового котка на щільність ґрунту й врожайність с.-г. культур. Найбільший врожай зеленої маси вівсяно-горохової суміші отримано на ділянках, ущільнених котками до 1,21...1,24 г/см3. Найбільшу вагомість впливу на врожайність даної кормової суміші має щільність ґрунту у шарі 0...10 см. Коефіцієнт кореляції між середньоквадратичним відхиленням значень щільності і врожайністю с.-г. культур знаходиться в межах 0,5...0,9. При збільшенні швидкості котків понад 6 км/год. різко зростає середньоквадратичне відхилення поточних значень щільності ґрунту і зменшується врожайність с.-г. культур. Цілеспрямований вибір відповідних грунтово-кліматичним умовам типу котка і його режиму роботи (питоме навантаження 460 кг/м, поступальна швидкість котка – 6 км/год.) дозволив збільшити врожайність вівсяно-горохової суміші на 28% у порівнянні з котком, який був рекомендованим для даної зони.

Таким чином, визначено регресійні залежності врожайності с.-г. культур від параметрів, що характеризують будову орного горизонту в результаті механізованого обробітку ґрунту; створено технічні засоби обробітку ґрунту різних типів, в основу яких закладено цільовий відбір конструктивно-технологічних параметрів робочих органів, що забезпечують необхідну якість складення орного горизонту для конкретної грунтово-кліматичної зони при мінімальних енерговитратах; визначено конструктивно-технологічні параметри ґрунтообробних машин з застосуванням формалізованих робочих органів-аналізаторів та створенням відповідних баз даних на ПЕОМ.

Розділ 5. Ефективність та перспективи застосування запропонованого методологічного підходу розробки технологій та технічних засобів обробітку ґрунту. Узагальнюючи