УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР“

ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА”

ГАНЖЕНКО ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 631.332.81

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ТА ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ДЛЯ ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ ПЕРЕД САДІННЯМ КОРЕНЕПЛОДІВ МАТОЧНИХ ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Глеваха – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті цукрових буряків Української академії аграрних наук (ІЦБ УААН)

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Крижко Валерій Миколайович, Інститут цукрових буряків, завідувач лабораторії механізації виробництва цукрових буряків та насіння

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Завгородній Анатолій Федорович, Українська академія аграрних наук, провідний науковий співробітник відділу механізації та електрифікації харчової і переробної промисловості апарату президії

Провідна установа: | Український науково-дослідний інститут по прогнозуванню та випробуванню техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва Міністерства аграрної політики України, смт. Дослідницьке Васильківського району Київської області.

Захист відбудеться “  ” березня 2003 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.27.358.01 у Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р.-н., с.м.т. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р.-н., с.м.т. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. .

Автореферат розісланий “ 7 ” лютого 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Адамчук В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вирощування насінників цукрових буряків висадковим способом на сучасному етапі залишається найбільш енергоємною галуззю рослинництва. Однією з причин цього є недосконалість окремих елементів технології, зокрема, комплексу робіт, пов’язаних із підготовкою ґрунту до садіння коренеплодів маточних цукрових буряків.

Для забезпечення якісної роботи висадкосадильних машин безпосередньо перед садінням виконують 2-разову передсадильну культивацію на глибину до 22 см, що потребує значних витрат енергії та коштів. Крім того, така інтенсивна дія на ґрунт у весняний період призводить до значних втрат вологи та ущільнення нижніх шарів ґрунту рушіями енергетичних засобів, задіяних для виконання передсадильної культивації. Усе це негативно впливає на приживання коренеплодів та подальший розвиток насінників цукрових буряків, основна частина кореневої системи яких розташована в шарі 0...50 см, з якого рослина за вегетаційний період отримує понад 90всієї необхідної вологи.

Тому актуальним для сільськогосподарського виробництва України є питання удосконалення технологічного процесу обробітку ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків, з метою зменшення його енергоємності, підвищення показників якості роботи сучасних висадкосадильних машин і створення сприятливих ґрунтових умов для приживання та подальшого росту й розвитку насінників.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконували упродовж 1997 – 2002 рр. в Інституті цукрових буряків УААН згідно з завданням 03.06.02. “Розробити механізовані технологічні процеси і технічні засоби для вирощування насіння цукрових буряків”, яке є складовою частиною Науково-технічної програми Української академії аграрних наук на 1996-2000 рр. “Цукрові буряки”, номер державної реєстрації 0196U012876 та Науково-технічної програми на 2001-2005 рр., номер 0101U001241.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – зменшення енерговитрат при вирощуванні насінників цукрових буряків та підвищення показників якості роботи висадкосадильних машин шляхом удосконалення технологічного процесу передсадильного обробітку ґрунту та технічних засобів для утворення садильної щілини.

Відповідно до поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1.

2. Обґрунтувати технологічний процес підготовки ґрунту та садіння коренеплодів маточних цукрових буряків, а також конструктивно-технологічні параметри дискового щілиноутворювача.

3. За результатами лабораторних досліджень побудувати стохастичну математичну модель процесу садіння, за допомогою якої визначити оптимальні значення режимів роботи дискового щілиноутворювача.

4. Провести порівняльну оцінку роботи висадкосадильної машини з дисковими щілиноутворювачами та серійними розпушувачами за агротехнічними й енергетичними показниками.

5.

Об’єкт досліджень – технологічний процес передсадильної підготовки ґрунту та садіння коренеплодів маточних цукрових буряків.

Предмет досліджень – фізична модель лабораторної установки для садіння коренеплодів, висадкосадильна машина та її робочі органи, робочий орган, призначений для утворення садильної щілини, супутні матеріали – коренеплоди маточних цукрових буряків.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтувались на теорії дискових робочих органів та теорії різання ґрунтів із застосуванням основ землеробської механіки з використанням розроблених програм для ПЕОМ. Експериментальні дослідження виконували у лабораторних та польових умовах відповідно до прийнятої методики і галузевих стандартів на розроблених експериментальних установках із застосуванням ортогонального композиційного планування. Результати експериментальних досліджень обробляли методами дисперсійного, кореляційного та регресивного аналізів на ПЕОМ за допомогою прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено енергозберігаючий спосіб садіння коренеплодів маточних цукрових буряків, що дозволяє відмовитись від глибокої передсадильної культивації, замінивши її мілким обробітком всієї поверхні поля та утворенням садильної щілини одночасно з садінням. Теоретично обґрунтовано параметри садильної щілини та робочого органа для її утворення.

Розраховано стохастичну математичну модель, яка описує вплив режимів роботи дискового щілиноутворювача на якість виконання технологічного процесу садіння. У результаті аналізу моделі визначено оптимальні значення режимів роботи дискового щілиноутворювача. Експериментально встановлено агротехнічні та енергетичні показники роботи висадкосадильної машини, обладнаної дисковими щілиноутворювачами.

Новизну технічних рішень підтверджено 2 патентами України на винахід (на спосіб садіння коренеплодів та конструкцію дискового щілиноутворювача).

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано новий спосіб проведення передсадильної підготовки ґрунту та садіння коренеплодів маточних цукрових буряків, який дозволяє на 41зменшити витрати пального, на 36% зменшити відхилення фактичного кроку садіння від конструктивного, на 7,1% збільшити кількість коренеплодів висаджених вертикально або з нахилом до 15°, на 7підвищити врожайність бурякового насіння, що дало змогу отримати економічний ефект в розмірі 122 грн./га.

Розроблену технічну документацію на дискові щілиноутворювачі та методику визначення їх конструктивно-технологічних параметрів передано в ЕДП “Бурякотехніка”. Дослідний зразок висадкосадильної машини, оснащеної експериментальними дисковими щілиноутворювачами, пройшов науково-виробничу перевірку в дослідних господарствах “Саливінківське” та “Шевченківське” Інституту цукрових буряків УААН.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно, а саме: проведено аналіз відомих способів передсадильної підготовки ґрунту та конструкцій висадкосадильних машин; обґрунтовано параметри садильної щілини та дискового щілиноутворювача; обґрунтовано раціональну форму вирізів на робочій поверхні диска; розроблено методику та програмне забезпечення для визначення конструктивних параметрів дискового щілиноутворювача; методом статистичного моделювання визначено оптимальні режими роботи дискового щілиноутворювача; експериментально визначено агротехнічні та енергетичні показники роботи висадкосадильної машини з різними типами робочих органів; визначено техніко-економічні показники роботи висадкосадильної машини, обладнаної дисковими щілиноутворювачами.

Апробація результатів дисертації. За результатами досліджень зроблено доповіді на науково-технічних, науково-практичних конференціях і семінарах: Міжнародній конференції “Наукові основи виробництва цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни в сучасних економічних та екологічних умовах” (Київ: ІЦБ, 1998); Міжнародній науково-технічні конференції “Науково-технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха: ІМЕСГ, 1999); Міжнародній науково-технічній конференції “Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч” (Київ: НАУ, 1999); Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха: ІМЕСГ, 2000); Международной научно-практической конференции “Современные проблемы опытного дела” (Санкт-Петербург, 2000); Міжнародній науково-практичній конференції “Селекція, насінництво і технологія вирощування цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни” (Київ: ІЦБ, 2001); У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на засіданні вченої ради та науково-методичної ради технологічного відділу Інституту цукрових буряків УААН (Київ: ІЦБ, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 друкованих працях, п’ять з яких опубліковано у фахових виданнях, затверджених “Переліком...” ВАК України та отримано два патенти України на винаходи.

Структура та об’єм дисертаційної роботи. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 157 сторінках друкованого тексту. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, бібліографічного списку із 172 найменувань (з них 7 іноземною мовою) та додатків і містить 54 рисунки, 19 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об’єкт, предмет та методи досліджень, відзначено зв’язок роботи з науковими програмами, зазначено новизну одержаних результатів, їх практичне значення, апробації результатів досліджень і їх публікація.

У першому розділі “Стан питання та задачі досліджень” проведено аналіз відомих способів підготовки ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків та конструкцій висадкосадильних машин. На основі аналізу результатів досліджень Ф.Ю. Адаменка, В.М. Балана, І.І. Бартенєва, Л.Є. Бобришова, Ф.А. Гавронського, Н.Г. Гізбулліна, С. Городецького, О.В. Добротворцевої, В.П. Дубровського, А.Ф. Нестєрова, Т.А. Родіонова, М.А. Самойлова, М.І. Сілакова, П. Слезкіна, Г.П. Снігура, К.М. Хучуа, І.І. Шапошникова та інших вчених сформульовано вимоги щодо обробітку ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків.

Аналіз розвитку конструкцій висадкосадильних машин, зроблений на основі досліджень Богданова Г.П., Гаркуші І.Я., Давидюка В.П., Зикова П.Ю., Касторного В.І., Крижка В.М., Лапенка Г.О., Окорокова І.Ф., Пілюгіна М.І., Саганова М.І., Самойлова М.А. та інших вчених свідчить, що перспективним є напрямок створення конструкцій універсальних машин, обладнаних багатоконусними садильними апаратами, привід яких здійснюється від самозачеплення з ґрунтом. Разом з тим, традиційний спосіб підготовки ґрунту перед садінням маточних коренеплодів не враховує конструктивних особливостей сучасних висадкосадильних машин.

Питанням дослідження конструкції робочих органів для обробітку ґрунту в зоні рядка та утворення садильної щілини присвячено праці Гаркуші І.Я., Євстратова А.І., Крижка В.М., Лапенка Г.О., Пєчонкіна І.П. та інших вчених.

Проведений аналіз засвідчив необхідність удосконалення технологічного процесу передсадильного обробітку ґрунту, а також конструкції робочих органів, призначених для утворення садильної щілини.

У другому розділі “Обґрунтування технологічного процесу та конструктивно-технологічних параметрів дискового щілиноутворювача” висвітлено теоретичне обґрунтування процесу підготовки ґрунту та садіння коренеплодів маточних цукрових буряків з урахуванням біологічних особливостей насіннєвих рослин, а також конструктивних особливостей сучасних висадкосадильних машин. На основі проведених досліджень запропоновано новий спосіб садіння, який дозволяє відмовитися від проведення глибокої передсадильної культивації, замінивши глибоким обробітком ґрунту тільки в зоні майбутнього рядка. Це стає можливим, якщо сумістити технологічні операції передсадильної підготовки ґрунту та садіння, шляхом обладнання висадкосадильної машини новими робочими органами, призначеними для утворення садильної щілини із заданими параметрами:

(1)

де а – глибина садильної щілини; Lmax – максимальна довжина коренеплодів;

b – ширина садильної щілини; dk – діаметр основи садильного конуса.

Для фіксації хвостової частини коренеплоду та створення сприятливих умов для приживання та подальшого росту й розвитку насінників необхідно, щоб садильна щілина була частково заповнена вологим розпушеним ґрунтом. При виборі форми садильної щілини необхідно, щоб площа її поперечного перерізу була мінімальною, оскільки в цьому випадку забезпечується мінімальна енергоємність процесу утворення садильної щілини.

З огляду на це, для утворення садильної щілини доцільно використовувати робочий орган у вигляді сферичного диска з внутрішніми вирізами.

Теоретичні обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів дискового робочого органа, призначеного для утворення садильної щілини виконували на основі теорії дискових ґрунтообробних знарядь з урахуванням досліджень Булгакова В.М., Гевка Р.Б., Горячкіна В.П., Гукова Я.С., Гурченка О.П., Гусяцкого М.П., Дубровіна В.О., Канарева Ф.М., Краснощокова М.В., Мазуренка А.М., Нартова П.С., Сінєокова Г.М., Стрєльбицького В.Ф., Шубенка В.О. та інших учених.

У процесі роботи довільна точка зовнішньої різальної кромки дискового робочого органа, встановленого під кутом до напрямку переміщення (кутом атаки), описує в просторі гвинтову лінію, яка являє собою циклоїду навиту на еліптичний циліндр (рис. ). Приймемо за початок відліку точку О, що знаходиться на перетині осі обертання диска з площиною його зовнішньої різальної кромки. Вісь ОХ спрямуємо в напрямку поступального переміщення агрегату, а осі OY та OZ, відповідно, у поперечному та вертикальному напрямках. Тоді, параметричне рівняння руху точки, яка належить зовнішній різальній кромці диска матиме вигляд:

(2)

де vn – швидкість переміщення агрегату; t – час; r – радіус диска;

– кутова швидкість обертання диска; – кут атаки.

Рис. . Траєкторія переміщення точки зовнішньої різальної кромки диска.

Проекцією гвинтової лінії на площину поперечного перерізу борозни YOZ є еліпс:

. (3)

Таким чином, садильна щілина, утворена дисковим робочим органом має форму сегмента еліпса, ширина основи якого визначається за формулою:

, (4)

де b – ширина садильної щілини; a – глибина садильної щілини;

D – діаметр сферичного диска; – кут атаки сферичного диска.

Розв’язавши рівняння (4) відносно , отримаємо:

. (5)

Для полегшення підбору a, D, b та відповідно до конкретних умов роботи можна використовувати монограму, зображену на рис. .

Рис. . Номограма для визначення параметрів дискового щілиноутворювача.

Результатами досліджень Аржаних А.І., Котова П.М., Краснощокова М.В., Кулебакіна П.Г., Нартова П.С., Шубенка В.О. та інших учених доведено, що диски з внутрішніми вирізами забезпечують кращу якість розпушення за рахунок того, що значна частина ґрунту, підрізаного зовнішньою різальною кромкою диска, проходить через вікна на робочій поверхні диска і заповнює утворену борозну.

Якщо вирізи на робочій поверхні диска виконати таким чином, щоб спиці розташовувалися радіально і були прямолінійними (рис. ), то кут різання кромки спиці можна визначити із трикутника швидкостей за теоремою синусів:

, (6)

де vn – проекція швидкості руху агрегату на площину зовнішньої різальної кромки диска: v'n=vn cos, де vn – поступальна швидкість агрегату, – кут атаки диска; rК – радіус-вектор точки контакту спиці з ґрунтом; – кутова швидкість; t – час.

Радіус-вектор точки контакту змінюється з часом відповідно до виразу:

, (7)

Підставивши вираз (7) у формулу (6) отримаємо:

. (8)

Рис. . Вирізний дисковий робочий орган із радіальними спицями.

Розрахунки показують (рис. ), що в процесі роботи величина кута різання прямолінійної радіальної спиці змінюється від 35° до -90° (при різання відбувається переднім краєм спиці, а при – заднім). Внаслідок цього відбувається різання без ковзання, що призводить до забивання вирізів рослинними рештками та вологим ґрунтом.

Усіх вищезгаданих недоліків вирізних сферичних дисків можна уникнути шляхом проектування раціональної форми спиць.

а) |

б)

Рис. . Залежність кута різання прямолінійної радіальної спиці:

а) – від часу; б) – від довжини спиці;

1 – а=200 мм; 2 – а=180 мм; 3 – а=160 мм.

Таким чином, головними вимогами щодо форми спиць, які з’єднують центральну частину диска з його зовнішньою різальною кромкою, є: самоочищення спиць від рослинних решток та налиплого ґрунту; поступове зростання реактивного моменту, який створюють сили, що перешкоджають входженню спиці у ґрунт.

Проектуючи форму спиці, необхідно забезпечити у будь-якій точці її леза однакові умови входження у ґрунт. Для цього необхідно, щоб кут між дотичною, проведеною до будь-якої точки кромки спиці та дотичною до циклоїди, яку описує дана точка в процесі роботи, залишався постійним. Вектор швидкості у точці контакту спиці з ґрунтом K направлений по дотичній до траєкторії переміщення цієї точки, отже кут знаходиться між дотичною та вектором швидкості v (рис. ).

Рис. . Схема сил в точці контакту спиці з ґрунтом.

Вектор сили нормального тиску N, який чинить лезо спиці на ґрунт відхиляється від вектора швидкості на кут . Дотична складова сили нормального тиску змушує частинки ґрунту ковзати по лезу в напрямку лінії її дії. Між лезом спиці та ґрунтом виникає сила тертя , яка намагається втримати частинки ґрунту від ковзання. Отже, для забезпечення різання з ковзанням необхідно, щоб кут , оскільки в цьому випадку дотична сила Т буде перевищувати за модулем протилежно направлену силу тертя Fтр, змушуючи частинки ґрунту ковзати вздовж леза спиці під дією залишкової сили Т1=Т–Fтр.

Таким чином, для того, щоб спиці, які з’єднують зовнішню різальну кромку з центральною частиною диска, не забивалися ґрунтом та рослинними рештками, а також для забезпечення поступового входження спиці у ґрунт необхідно, щоб кут різання був постійний по всій довжині спиці і відповідав умові: .

У процесі роботи точка K не тільки обертається навколо осі диска О, але й здійснює поступальне переміщення із швидкістю , внаслідок чого вектор зміщується відносно вектора окружної швидкості на кут (рис. ).

Із трикутника швидкостей за теоремою синусів можемо записати |

Рис. . Схема входження спиці у ґрунт.

. (9)

Розв’язавши останнє рівняння відносно та врахувавши, що кутова швидкість сферичного диска, який вільно обертається навколо своєї осі становить , маємо:

, (10)

де – коефіцієнт ковзання (+), буксування (–).

На основі теоретичних досліджень розроблено методику розрахунку, реалізація якої дозволила спроектувати раціональну форму спиці при заданому куті різання.

На основі проведених розрахунків виготовлено експериментальні робочі органи у вигляді сферичних дисків із криволінійними спицями (рис. ). Таким чином, експериментальний щілиноутворювач складається із диска, жорстко закріпленого на горизонтальній осі, яка вільно обертається в маточині підшипників 1. За допомогою кронштейна 2 щілиноутворювач кріпиться до рами висадкосадильної машини. Для регулювання глибини садильної щілини залежно від характеристики садивного матеріалу в конструкції щілиноутворювача передбачено гвинтовий механізм 3. Чистик 4 призначений для очищення робочої поверхні диска від рослинних решток та налиплого ґрунту.

а) |

б)

Рис. . Дисковий щілиноутворювач:

а) – робочий орган щілиноутворювача; б) – щілиноутворювач;

1 – маточина підшипників; 2 –кріплення; 3 – регулятор глибини; 4 – чистик.

У третьому розділі “Програма та методика експериментальних досліджень” наведено програму досліджень, описано експериментальні установки, вимірювальні прилади, обладнання та методики обробки експериментальних даних.

Для визначення оптимальних режимів роботи дискового щілиноутворювача у ґрунтовому каналі проведено лабораторний експеримент, у ході якого вивчали вплив кута атаки та глибини ходу робочого органа на якість роботи садильного апарата. Дослід проводили за ортогональним центральним композиційним планом другого порядку на спеціально виготовленій експериментальній установці (рис. ).

Рис. . Схема дослідної установки.

1 – візок;

2 –рейки;

3 – садильний апарат;

4 – ґрунтозачіп;

5 – щілиноутворювач.

На візок 1, який переміщувався рейками 2 вздовж ґрунтового каналу, було встановлено 8-конусний садильний апарат 3, привід якого здійснювався від зчеплення з ґрунтом за допомогою садильних конусів та ґрунтозачіпів 4. Перед садильним апаратом 3 на візку 1 розташовували дисковий щілиноутворювач 5.

За результатами експерименту розраховували стохастичну математичну модель процесу садіння. Вхідними факторами моделі були кут атаки (Х1) та глибина ходу (Х2) дискового щілиноутворювача. На виході фіксували відстань між коренеплодами в рядку (у1); кількість коренеплодів, висаджених на глибину 1...4 см (у2); кількість непошкоджених коренеплодів (у3) та кількість коренеплодів, висаджених вертикально або з нахилом до 15° (у4).

За параметр оптимізації приймали узагальнений показник якості виконання технологічного процесу садіння Y, який розраховували за формулою:

, (11)

де y10; y20; y30; y40 – “ідеальні” значення відповідних показників встановлені агровимогами або іншими нормативними документами;

q1; q2; q3; q4 – вагомість відповідних показників, %.

Для проведення польових досліджень, дискові щілиноутворювачі встановлювали на раму висадкосадильної машини перед кожним садильним апаратом (рис. ). Порівняльну агротехнічну оцінку роботи висадкосадильної машини, обладнаної експериментальними дисковими щілиноутворювачами та серійними розпушувачами, проводили у дослідному господарстві “Шевченківське” згідно з ОСТ .5.4-84 та СТ СЭВ .

Рис. . Схема висадкосадильної машини з дисковими щілиноутворювачами.

Порівняльну енергетичну оцінку роботи висадкосадильної машини з експериментальними щілиноутворювачами та серійними розпушувачами проводили при садінні коренеплодів маточних цукрових буряків у дослідному господарстві “Саливінкіське”, за методикою, передбаченою КНД .16.02.09-95.

Реєстрацію параметрів проводили за допомогою самохідної тензометричної лабораторії на базі автомобіля УАЗ-3303, у складі якої використовували малогабаритну апаратура ЭМА-П із комплектом перетворювачів. Дослід проводили у п’ятикратній повторності на кожному з режимів роботи. Тривалість реєстрації кожної повторності становила 15 с.

Розрахунок енергетичної ефективності виконували відповідно до методичних рекомендацій, розроблених у ВІМ, економічну ефективність визначали за ГОСТ .

У четвертому розділі “Оптимізація режимів дискового щілиноутворювача” викладено матеріали лабораторних досліджень, за результатами яких побудовано адекватну стохастичну математичну модель процесу садіння залежно від режимів роботи дискового щілиноутворювача.

Умови проведення досліджень: вологість ґрунту – 25,2%; твердість та щільність ґрунту відповідно – 0,67 МПа та 1,25 г/см3.

Результати досліджень свідчать, що із збільшенням глибини ходу дискового щілиноутворювача зростає середнє значення глибини садіння коренеплодів. Однак, найбільша кількість коренеплодів (94,4висаджених на допустиму агровимогами глибину (1...4 см) спостерігалася тоді, коли глибина садильної щілини становила Х2=15 см (рис. ). Із збільшенням глибини ходу дискового робочого органа до Х2=20 см зростає частка коренеплодів, висаджених на глибину понад 4 см, а при зменшенні глибини садильної щілини до Х2=10 см – спостерігається зростання кількості коренеплодів, невкритих ґрунтом або висаджених на глибину до 1 см.

а) |

б)

Рис. . Глибина садіння залежно від режимів щілиноутворювача:

а) – середня глибина садіння;

б) – відсоток коренеплодів, висаджених на глибину 1...4 см.

Рис. . Крок садіння залежно від режимів дискового щілиноутворювача. |

Рис. . Кореляційна залежність нахилу коренеплодів від протяжки апарата.

Збільшення глибини ходу дискового щілиноутворювача викликає зростання відстані між висадженими коренеплодами в рядку. Так, при глибині садильної щілини Х2=10 см крок садіння становив 36,6 см, а при Х2=20 см – 37,9 см, тобто відхилення фактичного кроку садіння від конструктивного (35 см) зросло з 1,6 см до 2,9 см (рис. ).

Це відбувається тому, що привід садильного апарата здійснюється від самозачеплення з ґрунтом за допомогою садильних конусів та спеціальних ґрунтозачіпів. Із збільшенням глибини садильної щілини конус садильного апарата не контактує з ґрунтом, а при збільшені кута атаки диска збільшується ширина утвореної садильної щілини, внаслідок чого, ґрунтозачіп входить у розпушений ґрунт, а отже зменшується надійність приводу садильного апарата.

Дослідивши значення протяжки садильного апарата та вертикальності садіння методами кореляційного аналізу, було виявлено зв’язок між цими величинами (рис. ).

Наявність такого сильного кореляційного зв’язку пояснюється тим, що під час протяжки рухома стулка садильного конуса діє на головку коренеплоду, переміщуючи її у напрямку руху машини. При зафіксованій хвостовій частині це призводить до нахилу коренеплоду в напрямку переміщення машини. Тому, при збільшені глибини ходу щілиноутворювача погіршується вертикальність розміщення висаджених коренеплодів (рис. ).

Із збільшенням глибини ходу та кута атаки дискового робочого органа зменшувався відсоток травмованих коренеплодів (рис. ). Так, якщо глибина ходу дискового щілиноутворювача становила 10 см та кут атаки 15°, то травмувалося до 14коренеплодів, а при збільшені глибини до 15 см – кількість травмованих коренеплодів зменшувалася до 2,5при 20 см – до 1,5

Рис. . Частка коренеплодів, висаджених з нахилом до 15° залежно від режимів дискового щілиноутворювача. |

Рис. . Відсоток травмованих коренеплодів залежно від режимів дискового щілиноутворювача.

Рис. . Сила впливу режимів дискового щілиноутворювача на якість садіння.

У результаті обробки експериментальних даних методом дисперсійного аналізу встановлено, що якість садіння на 51,7% залежить від глибини ходу дискового щілиноутворювача (X2) та на 24,4% від кута атаки (X1). Спільна дія двох факторів (X1X2) є причиною 6,1варіації узагальненого показника якості (Y) (рис. ). Отже, варіація якості роботи садильного апарата на 82,2визначається режимами роботи дискового щілиноутворювача.

Застосувавши метод регресивного аналізу, отримано рівняння стохастичної математичної моделі у вигляді поліному:

. (12)

Рис. . Поверхня відгуку узагальненого показника якості від режимів роботи дискового щілиноутворювача.

Рис. . Твердість ґрунту:

1 – за новим способом;

2 – за традиційним способом. | Стохастична модель (12) є адекватною, оскільки критерій адекватності Фішера не перевищує критичного значення (FАД=2,3<Fкр=2,8), тобто помилка апроксимації даних, знаходиться в межах помилки досліду. Цей висновок підтверджує коефіцієнт кореляції між фактичними та теоретичними значеннями R=0,98.

Аналіз залишків моделі за критерієм Дарбіна-Уотсона засвідчив про відсутність їх автокореляції.

У канонічній формі рівняння регресії (12) можна записати:

(13)

Коефіцієнти рівняння (13) мають однаковий знак, але різні за модулем, отже, поверхня відгуку, має форму еліптичного параболоїда (рис. ) з екстремумом у точці Ц з координатами: Х1=14,3° та Х2=15,7 см.

Провівши аналіз моделі методом січних площин, встановлено, що область оптимуму знаходиться в межах: кут атаки X1=11,5...17,0°; глибина ходу диска X2=13,4...18,0 см.

У п’ятому розділі “Агротехнічна та енергетична оцінки висадкосадильної машини з дисковими щілиноутворювачами” наведено результати агротехнічних та енергетичних досліджень, проведених у польових умовах.

Дослідження проводили на чорноземі типовому, легкосуглинковому. Вологість ґрунту в шарі 0...30 см на фоні після проведення культивації на глибину до 22 см становила 27,5на фоні без культивації – 29,2Твердість ґрунту наведено на рис. .

Для садіння використовували коренеплоди гібрида Український ЧС , довжиною 100...170 мм та діаметром 40...80 мм.

Результати, наведені в табл. , засвідчують, що при застосуванні дискових щілиноутворювачів на 36% зменшується відхилення фактичного кроку садіння від конструктивного, що дозволило на 7,1% збільшити частку коренеплодів, висаджених з нахилом до 15°. Це дало змогу покращити приживання висаджених коренеплодів.

Таблиця . Агротехнічні показники роботи висадкосадильної машини. |

За агро- | Спосіб садіння

Назва показників | вимогами | традиційний | новий

Середня глибина садіння, см | 2...3 | 2,2 | 2,1

Частка коренеплодів, висаджених на глибину від 1 до 4 см, % | >90 | 93,8 | 94,6

Середнє зусилля на витягування коренеплодів, Н | >15 | 67,2 | 72,7

Частка пошкоджених коренеплодів, % | <3 | 2,5 | 2,7

Частка коренеплодів, висаджених із нахилом до 15°, % |

>60 |

90,8 |

97,9

Середня відстань між коренеплодами в рядку, см |

35±5 |

36,5 |

36,1

Врожайність насіння, ц/га | 23,7 | 25,4

Рис. . Динаміка появи сходів:

1 – за новим способом;

2 – за традиційним способом.

Рис. . Тяговий опір машини:

1 – з серійними розпушувачами;

2 – з дисковими щілиноутворювачами;

3 – без розпушувачів. | За рахунок застосування дискового щілиноутворювача вдалося на 1,7 ц/га збільшити врожай насіння.

Результати тензометрування свідчать, що при застосуванні серійних розпушувачів тяговий опір машини із завантаженим бункером становить 18,51 кН, а при застосуванні дискових щілиноутворювачів – зменшується на 1,53 кН (8,3і становить 16,98 кН. Тягова потужність при робочій швидкості агрегату 0,42 м/с складала відповідно 7,77 та 7,13 кВт, (зменшилася на 0,64 кВт).

Під час виконання технологічного процесу маса коренеплодів у бункері машини зменшується, а отже, зменшується експлуатаційна маса машини. Це призводить до зменшення тягового опору машини (рис. ).

Так, з порожнім бункером для коренеплодів тяговий опір машини ВС-4 із серійними та дисковими щілиноутворювачами становив 13,12 та 11,53 кН, відповідно, а тягова потужність при робочій швидкості 0,43 м/с – відповідно 5,63 та 4,96 кВт.

Тяговий опір одного серійного розпушувача становить 1,28 кН, що на 410 Н (47перевищує опір дискового при однаковій глибині обробітку.

За даними проведених досліджень, застосування експериментальних дискових щілиноутворювачів для утворення садильної щілини дозволяє на 7...11% зменшити витрати пального на виконання процесу садіння. Так, при застосуванні дискових робочих органів витрати пального на одиницю чистої роботи становили в середньому 11,0 кг/га, а при застосуванні серійних – 12,0 кг/га.

У шостому розділі “Енергетична та економічна ефективність” наведено розрахунок показників ефективності застосування нового способу підготовки ґрунту та садіння. Зокрема встановлено, що при застосуванні дискових щілиноутворювачів економічна ефективність становить 122 грн/га (1,26 ГДж/га). Річний економічний ефект від переобладнання однієї машини – 3665 грн.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, яка полягає у зменшенні енергоємності та підвищенні агротехнічних показників якості роботи висадкосадильних машин на основі удосконалення технологічного процесу передсадильної підготовки ґрунту та обґрунтування основних параметрів і режимів роботи дискового щілиноутворювача.

Аналіз відомих досліджень технологічних процесів та технічних засобів для обробітку ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків показав, що проведення 2-разової передсадильної культивації на глибину до 22 см вимагає значних енерговитрат і призводить до втрат ґрунтової вологи та ущільнення нижніх шарів ґрунту. Робочі органи висадкосадильних машин, основними типами яких є долотоподібні розпушувачі не забезпечують необхідну якість обробітку ґрунту в зоні рядка, що не дозволяє відмовитися від проведення глибокої передсадильної культивації.

2. У результаті проведеного аналізу біологічних особливостей насінників цукрових буряків і конструкцій технічних засобів для садіння коренеплодів запропоновано новий спосіб підготовки ґрунту та садіння, який дозволяє відмовитись від проведення 2-разової передсадильної культивації на глибину до 22 см, замінивши її мілким суцільним обробітком ґрунту і утворенням садильної щілини одночасно з садінням.

3. На підставі розмірних характеристик коренеплодів маточних цукрових буряків та конструкції садильних апаратів висадкосадильної машини обґрунтовано параметри садильної щілини та конструктивно-технологічні параметри робочого органа для її утворення.

4. Теоретичними дослідженнями встановлено, що для утворення садильної щілини із заданими параметрами доцільно використовувати робочий орган у вигляді сферичного диска діаметром 450 мм та радіусом кривизни 600 мм із вирізами на внутрішній робочій поверхні.

5. На основі встановлених аналітичних залежностей розроблено алгоритм та програмне забезпечення, реалізація якого на ПЕОМ дала змогу спроектувати раціональну форму спиці, що з’єднує зовнішню різальну кромку диска з його центральною частиною.

6. Дослідженнями стохастичної математичної моделі, розрахованої за результатами лабораторного експерименту, встановлено, що оптимальний кут атаки дискового щілиноутворювача знаходиться в межах 11,5...17,0°, а глибина ходу – 13,4...18,0 см.

7. За даними польових досліджень встановлено, що при застосуванні дискових щілиноутворювачів на 36% зменшується відхилення фактичного кроку садіння від конструктивного; на 7,1% збільшується кількість коренеплодів, висаджених вертикально та з нахилом до 15°; завдяки чому покращується динаміка появи сходів та підвищується врожайність насіння.

8. Тензометруванням висадкосадильної машини, обладнаної дисковими щілиноутворювачами встановлено, що тяговий опір дискового щілиноутворювача на 47менший за опір серійного розпушувача, що дозволяє на 8...12зменшити тяговий опір висадкосадильної машини та на 7...11зменшити витрати пального.

9. Впровадження запропонованого способу передсадильної підготовки ґрунту та садіння коренеплодів маточних цукрових буряків із використанням дискових щілиноутворювачів дозволяє заощадити 122 грн./га, річний економічний ефект при цьому становить 3  грн./рік.

Впровадження результатів досліджень у виробництво здійснено у дослідних господарствах “Шевченківське” та “Саливінківське”, а також у ЕДП “Бурякотехніка” і використано при розробці нових висадкосадильних машин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2. Ганженко О.М. Енергозберігаючий технологічний процес обробітку ґрунту перед садінням маточних коренеплодів цукрових буряків // Збірник наукових праць Національного аграрного ун-ту. “Механізація сільськогосподарського виробництва”. – Том 7. – К.: НАУ, 2000. – С. 46-48.

3. Ганженко О.М. Удосконалення технологічного процесу обробітку ґрунту перед садінням маточних коренеплодів // Збірник наукових праць ННЦ ІМЕСГ. “Механизація та електрифікація сільського господарства”. – Том 83. – Глеваха, 2000. – С. 133-135.

4. Крижко В.М., Зиков П.Ю., Ганженко О.М., Войтюк П.О. Основні напрямки розвитку засобів механізації для садіння коренеплодів. // Збірник наукових праць УкрЦВТ “Техніка – технологічні аспекти розвитку та випробовування нової техніки і технологій для сільського господарства України”. – Випуск 3 (17). – Дослідницьке 2000. – С. 68-71. (Здобувачем зроблено аналіз спосіб обробітку ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків).

5. Івасюк В.В., Зиков П.Ю., Ганженко О.М. Енергетична оцінка висадкосадильної машини з експериментальними розпушувачами. // Техніка АПК. – 2002. – №10-11. – С. 24-25. (Здобувачем виконано планування, проведення тензометрування та аналіз отриманих результатів).

6. Патент 28943 А. Україна, МКИ А01С5/06. Спосіб садіння коренеплодів та пристрій для його здійснення / В.М. Крижко, М.І. Саганов, П.Ю. Зиков, О.М. Ганженко (Україна). – №97115469; Заявлено 14.11.97; Опубл. 16.10.2000, Промислова власність №5-ІІ. – С. 1.3. (Здобувачем запропоновано пристрій для утворення садильної щілини).

7. Патент 34238 А. Україна, МКИ А01В7/00. Дисковий робочий орган / О.М. Ганженко (Україна). – №99063371; Заявлено 17.06.99; Опубл. 15.02.2001, Промислова власність №1-ІІ. – С. 1.1.

АНОТАЦІЯ

Ганженко О.М. Удосконалення технологічного процесу та технічних засобів для обробітку ґрунту перед садінням коренеплодів маточних цукрових буряків. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук (ННЦ “ІМЕСГ” УААН), Київ, 2002.

Дисертацію присвячено питанням зменшення енергоємності та підвищення якості виконання технологічного процесу садіння коренеплодів маточних цукрових буряків. У роботі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу роботи дискового щілиноутворювача, обґрунтовано його раціональні конструктивні параметри. Застосування дискових щілиноутворювачів на висадкосадильних машинах забезпечує вищу якість обробітку ґрунту в зоні майбутнього рядка, що дозволяє відмовитися від проведення глибокої передсадильної культивації. Проведено порівняльні польові дослідження висадкосадильної машини, обладнаної дисковими щілиноутворювачами та серійними розпушувачами, виконано розрахунок економічної ефективності.

Ключові слова: передсадильна культивація, дисковий щілиноутворювач, серійний розпушувач, садильна щілина, коренеплід, параметри.

АННОТАЦИЯ

Ганженко А.Н. Усовершенствование технологического процесса и технических средств для обработки почвы перед посадкой корнеплодов маточной сахарной свеклы. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Национальный научный центр “Институт механизации и электрификации сельского хозяйства” Украинской академии аграрных наук (ННЦ “ИМЭСХ” УААН), Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам уменьшения энергоемкости и повышения качества выполнения технологического процесса посадки корнеплодов маточной сахарной свеклы. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса работы дискового щелеобразователя, обоснованы его рациональные конструктивные параметры и режимы работы. Применение дисковых щелеобразователей на высадкопосадочных машинах обеспечивает повышение качества обработки почвы в зоне будущего рядка, что позволяет отказаться от проведения глубокой предпосадочной культивации.

Анализ известных способов проведения предпосадочной подготовки почвы указывает на перспективность полосного способа, суть которого состоит в проведении глубокой обработки почвы только в зоне рядка. Это достигается путем оборудования высадкопосадочной машины новыми рыхлителями. Однако существующие типы рабочих органов для обработки почвы в зоне рядка не обеспечивают необходимое качество полосного рыхления, кроме того они имеют большое тяговое сопротивление. Поэтому возникает необходимость оптимизации технологического процесса предпосадочной подготовки почвы и разработки конструкции ротационного дискового щелеобразователя, позволяющего получить посадочную щель с необходимыми параметрами, а также уменьшить тяговое сопротивление высадкопосадочной машины.

На основании проведенных исследований процесса образования посадочной щели с помощью дискового щелеобразователя, научно обоснованно параметры щели, а также конструктивные параметры дискового рабочего органа. Разработана методика проектирования формы вырезов на рабочей поверхности сферических дисков, обеспечивающих одинаковые условия резания по всей длине спицы. Применение сферических дисков с внутренними вырезами позволяет получить посадочную щель, частично заполненную влажной взрыхленной почвой, что способствует повышению качества посадки, а также улучшению условий приживаемости и дальнейшего развития семенников.

По результатам лабораторных исследований, проведенных в почвенном канале, рассчитана адекватная стохастическая математическая модель, описывающая зависимость качества работы посадочного аппарата от режимов работы дискового щелеобразователя. На основании анализа модели определены оптимальные значения режимов работы дискового рабочего органа.

Изложены результаты сравнительной агротехнической и энергетической оценки высадкопосадочной машины, оборудованной серийными рыхлителями и дисковыми щелеобразователями. При применении дисковых рабочих органов повышается качество работы высадкопосадочной машины: уменьшается отклонение фактического шага посадки от заданного; улучшается вертикальность и плотность обжатия маточников почвой. Все это способствует лучшей приживаемости корнеплодов, а также увеличению урожайности семенников. Результаты тензометрирования свидетельствуют, что тяговое сопротивление дискового щелеобоазователя на 47ниже по сравнению с серийным рыхлителем, что способствует снижению сопротивления высадкопосадочной машины.

Применение нового способа предпосадочной подготовки почвы и посадки с использованием дисковых щелеобразователей позволяет на 1,26 ГДж снизить энергозатраты, повышая тем самым рентабельность полученных семян.

Ключевые слова: предпосадочная культивация, дисковый щелеобразователь, серийный рыхлитель, посадочная щель, корнеплод, параметры.

SUMMARY

GanzhenkoImprovement of the technological process and technical means for soil cultivation before planting mother roots of sugar beet. – Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of a candidate of technical sciences by speciality 05.05.11 – Machines and means of mechanisation of agricultural production. – National center of science “Institute of mechanisation and electrification of agricultural” under Ukrainian academy of agricultural sciences, Kyiv, 2002.

This thesis represents the solution of the questions of reducing energy consumption and ensuring higher quality of fulfilment of the technological process of planting sugar beet mother roots. The results of theoretical and experimental investigations of the work process of a border disk are given; its rational constructive parameters are founded. The use of border disks on a mother root planting machine guarantees a higher quality of soil cultivation in the zone of a future row, which allows to exclude a deep preplanting cultivation.

Comparative field experiments with mother root planting machines equipped with border disks and serial scarifiers were carried out. Economic efficiency was calculated.

Key words: preplanting cultivation, border disk, serial scarifier, planting channel, root, parameters.