УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

„ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА”

(ННЦ „ІМЕСГ”)

ГАВРИЛЬЧЕНКО ОЛЕКСАНДР СТЕПАНОВИЧ

УДК 631.316.022.4

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТА РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ КУЛЬТИВАТОРНИХ ЛАП З КРИВОЛІНІЙНИМ ЛЕЗОМ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Глеваха – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті та Таврійській державній агротехнічній академії.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент

УААН Кушнарьов Артур Сергійович, Таврійська

державна агротехнічна академія, завідувач кафедри

фізики, теоретичної механіки і ТММ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Корабельський

Валерій Іванович, головний науковий співробітник,

Національний науковий центр „Інститут механізації та

електрифікації сільського господарства”.

Кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник Єсепчук Микола Іванович, заступник

директора Державного департаменту тракторного і

сільськогосподарського машинобудування

Міністерства промислової політики України.

Провідна установа: Кіровоградський національний технічний університет

Міністерства освіти і науки.

Захист відбудеться 06 жовтня 2005 року о 12.00 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 район, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімната 613.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський район, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімната 102.

Автореферат розісланий „05” вересня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради |

Адамчук В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У технології вирощування просапних культур міжрядний обробіток посівів є важливою технологічною операцією, оскільки вона спрямована на боротьбу з бур'янами в міжрядній зоні. У разі обробітку пару знищення бур'янів є чиненайголовнішим завданням у поєднанні з руйнуванням верхнього шару ґрунту для закриття вологи. Однак стандартні культиваторні лапи, якими виконуються ці операції, обволікаються коренями і рослинними рештками на кінцях крил, що підтверджено як практикою, так і науковими дослідженнями. Обволікання лап призводить до зменшення кількості знищених бур'янів та зниження стабільності руху лап у вертикальній площині, що в свою чергу зменшує або збільшує глибину обробітку. Зменшення глибини обробітку ще більш знижує відсоток знищених бур'янів, а збільшення – пошкоджує корені культурних рослин за міжрядного обробітку.

З огляду на викладене, постає актуальною задача розробки конструкції культиваторної лапи підвищеної обтічності, яка забезпечила б самоочищення лапи від налиплого ґрунту і завислих бур'янів.

У зв'язку зі значними площами обробітку просапних культур і пару в Україні ця проблема набуває особливо важливого народногосподарського значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Законом України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” від 11.07.2001 р. № 2623-ІІІ на період до 2006 року передбачено розробку новітніх технологій та ресурсозберігаючих технологій в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі (стаття 7, п.6).

Дисертаційна робота виконана у відповідності до Програми виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу на період 1998–2005 рр., схваленої постановою Кабінету Міністрів України від 30.03.1998 р. № 403, та „Програми розвитку в Україні машинобудування та забезпечення сільськогосподарського виробництва машинами та устаткуванням для комплексної механізації технологічних процесів у рослинництві”. Вона є складовою частиною науково-дослідних робіт Дніпропетровського державного аграрного університету „Зернові і олійні культури” за напрямком „Науково обґрунтувати для господарств різних форм власності ефективні заходи вирощування просапних культур, які дозволяють знизити затрати на виробництво і збільшити урожайність на 10-12 %”, № д. р. 0101U002200.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є забезпечення самоочищення лез культиваторних лап від бур'янів і налиплого ґрунту.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались такі наукові завдання:

- визначення кута тертя типових бур'янів по лезу з урахуванням кута охоплення лапи;

- розробка моделі руху бур'янів і ґрунту по поверхні лапи з урахуванням пристінних явищ;

- обґрунтування параметрів робочої поверхні самоочисної культиваторної лапи з криволінійним лезом;

- розробка алгоритму конструювання поверхонь самоочисних лап, що розгортаються, різних типорозмірів;

- проведення порівняльних агротехнічних випробувань стандартних лап і лап із криволінійним лезом;

- визначення ефективності застосування самоочисних культиваторних лап із криволінійним лезом.

Об'єкт дослідження. Об’єктом дослідження є процес руху ґрунту та бур'яну по лезу культиваторної лапи при його підрізанні.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є культиваторна лапа підвищеної обтічності з криволінійним лезом.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені з використанням механіко-математичного моделювання процесу взаємодії кореня бур'яну з лезом лапи, використанням апарата диференціальних рівнянь класичної механіки, диференціальної і нарисної геометрії, математичної статистики і числових методів з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися відповідно нормативних та керівних документів і методик, орієнтованих на рішення приватних задач.

Наукова новизна отриманих результатів. Отримані результати полягають у наступному:

1) розроблена оригінальна методика визначення коефіцієнта тертя типових бур'янів по сталі з урахуванням кута охоплення крила культиваторної лапи, що явилось основою для оптимізації параметрів робочих органів для різних умов роботи;

2) розроблена модель руху бур'янів по лезу лапи з урахуванням пристінних явищ, яка дозволяє теоретично обґрунтувати причини зависання бур’яну на кінці леза [5, 7];

3) науково обґрунтовані форми і параметри криволінійного леза і поверхні культиваторної лапи, що дає підстави розробити технічну документацію для виготовлення нових робочих органів [1-4];

4) запропонований алгоритм конструювання поверхні культиваторної лапи з криволінійним лезом, що забезпечує високий ступінь самоочищення від ґрунту і бур'янів [6].

Практичне значення отриманих результатів. У результаті проведених наукових і дослідно-конструкторських пошуків розроблені:

1. Алгоритм конструювання культиваторних лап із криволінійним лезом, які мають підвищену обтічність, що забезпечує самоочищення від налиплого ґрунту і навислих бур'янів.

2. Принципово нові культиваторні лапи, леза яких виконані у вигляді логарифмічної спіралі.

Культиваторні лапи пройшли перевірку в ПП “Оазис” Нікопольського району Дніпропетровської області, ПАФ “Таврія-Союз” Широківського району, ПСП “Дружба” Дніпропетровського району і Державному підприємстві “Дослідницьке господарство “Дніпро” ІЗГ УААН (Дніпропетровська область). Дослідження показали перевагу культиваторних лап із криволінійним лезом над стандартними на всіх режимах роботи. Економічний ефект від впровадження експериментальних культиваторних лап із криволінійним лезом становить 6,72–34,58 грн на культиватор за сезон та підвищення врожайності на 2,6 %. При роботі культиватора, укомплектованого лапами з криволінійним лезом, досягнута економія палива в середньому 11 % на гектарі в порівнянні з культиватором стандартної комплектації.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем одержані самостійно. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий: визначено рівняння площин відколу [4]; розроблена модель руху бур’яну по лезу лапи з урахуванням сил опору [5]; на підставі рівняння логарифмічної спіралі запропонований спосіб конструювання леза культиваторної лапи, що має підвищену обтічність [6]; запропонована виконувати лезо культиваторної лапи у вигляді опуклої кривої [7].

Частка здобувача в процесі науково-виробничих випробуваннях культиваторної лапи, що були проведені в ДП „Дніпро” ІЗГ УААН, складає 80 %.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були обговорені та схвалені на ХІ Міжнародній науково-технічній конференції „Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” ННЦ „ІМЕСГ” 19–22 серпня 2003 р., Київ-Глеваха; на ІУ Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” у Кіровоградському державному технічному університеті; 23–24 жовтня 2003 р., м. Кіровоград; на ІУ Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки”, присвяченій пам'яті академіка Петра Мефодійовича Василенка, в Харківському державному технічному університеті сільського господарства, 17 жовтня 2003 р., м. Харків; на У Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки” у Вінницькому державному аграрному університеті, 17–18 жовтня 2004 року, м. Вінниця; на засіданнях науково-технічних семінарів факультету механізації сільського господарства Дніпропетровського державного аграрного університету впродовж 2001–2005 рр. та на засіданнях науково-практичного семінару факультету механізації сільського господарства ТДАТА протягом 2003–2005 рр. (м. Мелітополь).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано сім робіт, у т.ч. шість у фахових виданнях (з них три статті опубліковані самостійно) та одержаний Деклараційний патент України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації 183 сторінки, з них основна частина викладена на 153 сторінках, містить 62 рисунки, 23 таблиці, 13 сторінок додатків. Список використаних джерел становить 144 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначені мета і завдання досліджень, наведені наукова новизна та практичне значення роботи.

У першому розділі проведений аналіз конструкції культиваторних лап (ГОСТ 1343-82) вітчизняного та закордонного виробництва, з якого видно, що всі лапи мають прямолінійні леза.

Домінуючим параметром поверхні є кут розчину у плані 2, який повинен вибиратися з умови ковзання бур'яну по лезу.

Теоретичною основою та вихідними даними слугували роботи провідних вчених: В.П.Горячкіна, Г.Н.Синєокова, П.М.Василенка, А.С.Кушнарьова, І.М.Панова, Д.Г.Войтюка, В.І.Карабельського, Л.Ф.Бабицького, Я.С.Гукова, І.А.Шевченка, В.О.Дубровіна та ін.

Вплив знищення бур'янів на врожай просапних культур вивчали знатні вчені агрономи: В.С.Циков, Л.А.Матюха, І.Д.Ткалич та ін.

Спеціальні способи конструювання робочих поверхонь типу “лапа” розроблялися В.Н.Найдишем, В.М. Яхненко та ін.

Обволікання лап бур'янами вивчали Г.Н.Синєоков, Н.В.Бугайченко, Ш.М.Григорян, Р.А.Сухудян та ін., які встановили такі причини обволікання лап коренями бур'янів: залипання ґрунтом; “перевантаження” лапи бур'янами; посилення сили тертя з переміщенням бур'яну до кінця лапи; підвищений опір кінців крил лап.

У результаті огляду сучасного стану розвитку конструкторсько-технологічних рішень, з огляду на актуальність теми та низку невирішених питань у роботі були сформульовані цілі та задачі.

Другий розділ присвячений визначенню кутів тертя типових бур'янів з урахуванням охоплення лапи і теоретичним дослідженням руху ґрунту і бур'янів по лезу культиваторної лапи.

Визначення кута тертя та розрахунки коефіцієнта тертя типових бур'янів з урахуванням охоплення леза лапи проведені за оригінальною методикою подані в табл. 1.

Під час проведення теоретичних досліджень руху ґрунту і бур'янів по культиваторній лапі була прийнята робоча гіпотеза про те, що на кінцях крил лап потік ґрунту, який рухається, не має достатньої сили для зсуву бур'янів.

Теоретичні дослідження руху ґрунту по лапі з прямолінійним лезом показали, що частина потоку ґрунту, яка відбивається від стінки борозни, викликає пристінне явище, що виникає в зоні застою

Таблиця 1

Кути та коефіцієнти тертя бур’янів по металу

Вид бур’янів | Кут тертя, град | Коефіцієнт тертя | Діаметр кореня, мм

спокою | ков-

зання | спокою | ков-

зання

Березка польова | 43о45/ | 36о | 0,96 | 0,73 | 1,5

Мишій сизий | 44о40/ | 35о | 0,99 | 0,70 | 3,8

Щириця звичайна | 42о25/ | 36о | 0,91 | 0,73 | 4,3

Осот польовий | 43о20/ | 37о | 0,95 | 0,75 | 3,4

Амброзія полинолиста | 44о00/ | 35о | 0,97 | 0,70 | 1,7

Лобода біла | 41о30/ | 37о | 0,89 | 0,75 | 3,5

, м, (1)

де – ширина зони застою, м;

– кут розчину крила лапи, град;

– півширина захвату лапи, м.

Зона застою знижує швидкість руху ґрунту (рис. 1, а) і сприяє зависанню бур'янів, що не доходять до кінця лапи.

При русі бур'яну по лезу лапи на нього діють певні сили:

- сила динамічного напору, Н

, (2)

а |

б

в |

Рис. 1. Схема руху ґрунту і бур'янів по культиваторних лапах:

а – загальна картина дії сил на бур’ян; б – схема, яка демонструє пристінне явище; в – рух бур’яну по криволінійному лезу

- сила тертя, Н

, (3)

- сила защемлення бур'яну між лезом лапи і дном борозни, Н

, (4)

де: – щільність ґрунту, кг/м3;

– кут кришення, град;

– коефіцієнт розпушення;

– площа бур'яну, що попадає під потік ґрунту, м2;

– кут вступу ґрунту на поверхню лапи, = 1,08 ;

– коефіцієнт тертя бур'янів по сталі;

– швидкість руху лапи, м/с;

К – коефіцієнт, який показує масу грунту, що знаходиться на лезу лапи, кг/с.

Для розробки моделі руху бур'яну приймаємо, що маса бур'яну зосереджена в області контакту з лезом, бо в цьому місці діє затискуючи сила , а попереду знаходиться ядро ущільненого ґрунту. Тоді рух бур'янів під дією зазначених сил описується диференціальним рівнянням

, (5)

загальне рішення якого має вид

, (6)

де ;

; ,

при початкових значеннях: , .

З отриманого виразу (6) побудовані графіки швидкості руху бур'янів у функції довжини леза (рис. 2). У розрахунках були прийняті такі значення: = 1400 кг/м3; = 1,1; = 0,0015 м2; = 30о; = 28о; = 0,73; = 2,8 м/с; = 31,08о; К = 0,95 кг/с. |

Рис. 2. Залежність швидкості руху бур'янів від перемішення по лезу для серійної лапи:

1 – = 3,00 м/с;

2 – = 2,59 м/с;

3 – = 1,82 м/с;

4 – = 1,50 м/с

Як видно з рис. 2 внаслідок дії пристінного явища переміщення бур'янів припиняється, не доходячи до кінця крила, через рівність сили динамічного напору і сил тертя та затиснення. Координата переміщення визначається точкою перетину графіків і (рис. 3, а).

Для забезпечення сходу бур'янів з леза лапи було прийняте положення про те, що підсилення потоку ґрунту відбуватиметься пропорційно переміщенню на постійну величину, Н

,

де – збільшення кута радіус-вектора точки , рад. (рис. 1, б).

а |

б

Рис. 3. Сили, що діють на бур'ян під час руху по прямолінійному (а) та криволінійному лезу (б):

1 – = 1,8 м/с; 2 – = 2,2 м/с; 3 – = 3,02 м/с

Це забезпечується зменшенням кута із переміщенням бур'яну по лапі. Із зменшенням кута зменшується ширина зони застою , а пристінне явище зникає.

Пропорційний ріст сили динамічного потоку забезпечується виконанням леза у вигляді логарифмічної спіралі, рівняння якої у полярній системі координат має вид

, (8)

а в декартовій

, (9)

де – радіус логарифмічної спіралі, м;

– початковий радіус-вектор, м;

– кут між дотичною і радіус-вектором, град;

– полярний кут, рад.

Розрахунки сил, які отримані з урахуванням пристінних явищ, представлені на рис. 3. Для прямолінійного леза характерна точка перетину сил. Це означає, що сила динамічного напору ґрунту , що зміщує бур'ян, стає рівною силам тертя та затиснення , внаслідок чого бур'ян зависає, обволікаючи лапу. У криволінійного леза така точка відсутня, тому, ріст сили динамічного напору забезпечує самоочищення культиваторної лапи з криволінійним лезом.

Крім цього, визначений коефіцієнт ковзання, який з урахуванням падіння подовжньої швидкості потоку грунту дорівнює

. (10)

На рис. 4 показані графіки залежності коефіцієнта ковзання від довжини крила культиваторної лапи різноманітних конфігурацій. |

Рис. 4. Залежність коефіцієнта ковзання від відносної довжини леза лапи:

стандартні – 1 – v = 1 м/с;

2 – v = 3 м/с;

лапи з криволінійним

лезом – 3 – v = 1 м/с;

4 – v = 4 м/с

Коефіцієнт ковзання і (і = 1,5) на початку крила лапи не залежить від швидкості руху культиватора. Однак зниження подовжньої швидкості руху грунту призводить до того, що на відстані 0,9 довжини крила від носка лапи коефіцієнт ковзання по лезу стандартної лапи наближається до нуля. У цьому місці бур’ян зависає. Зависання бур’яну спричинює залипання грунтом леза лапи.

У третьому розділі з використанням методів аналітичної та диференціальної геометрії виведене рівняння конічної поверхні, напрямною якої є лезо, виконане у вигляді логарифмічної спіралі.

Рівняння конічної поверхні має вид

, (11)

де – координати вершини поверхні лапи, м;

– рівняння напрямної кривої, яка розташована в горизонтальній площині і є лезом лапи;

– параметр кривої.

Конічна поверхня, яка покладена в основу лапи, є лінійчатою і утворюється рухом у просторі прямолінійної твірної , рівняння якої виглядає так:

, (12)

де – координати напрямної кривої;

– параметр кривої.

Рівняння проекцій твірної описуються рівняннями:

на площині

; (13)

на площині

; (14)

на площині

. (15)

Отже, задавши координати кривої , яка є лезом, та координати поверхні , вважаємо поверхню вичерпним способом.

Алгоритм конструювання робочої поверхні культиваторної лапи виконується в такому порядку:

1) задаються вихідні параметри: – початковий кут розчину лапи, град; – кінцевий кут розчину лапи, град; – ширина захвату, м; – кут між дотичною і поточним радіус-вектором, град;

2) визначається кут відхилення початкового радіус-вектора, град

;

3) обчислюється кінцевий кут повороту радіус-вектора, град

;

4) початковий радіус-вектор визначається за формулою, м

;

5) розраховуються координати полярного центра, м:

;

.

У наведених формулах кут, який знаходиться в показнику степеня, треба підставляти в радіанах;

6) обчислюються декартові координати леза лапи за формулами, м:

;

,

де – полярний кут повороту радіус-вектора, що утворює криву леза.

Полярний кут повороту радіус-вектора визначається в такий спосіб, рад:

, (1, 2, ..., ),

де – приріст полярного кута, який залежить від кількості точок кривої , рад; .

7) задаються координати вершини конічної поверхні . Оскільки вершина розташована у площині симетрії лапи, то , , де – довжина лапи, м; , де = 20–30о;

8) каркас поверхні лапи будується за допомогою твірних , які проходять через вершину поверхні та -ту точку леза з координатами ;

9) будується лобовий контур лапи. Потім по точках, які утворюються від перетину лобового контуру лапи, з твірними будуються горизонтальна та бокова проекції лапи;

10) по отриманих проекціях будується розгортка лапи. По розробленому алгоритму сконструйовані культиваторні лапи, креслення однієї з яких представлено на рис. 5. |

Рис. 5. Загальний вид культиваторної лапи

з криволінійним лезом шириною захвату 270 мм

У четвертому розділі представлені дані про лабораторно-польові випробування культиваторних лап із прямолінійним та криволінійним лезом.

Агротехнічна оцінка випробування культиваторних лап проводилася за такими показниками: знищення бур'янів, стійкість по глибині обробітку, залипання ґрунтом та обволікання лап бур'янами, спрацювання поверхні культиваторних лап та витрати палива під час обробітку грунту.

Показники грунту при проведенні дослідів на міжрядному обробітку були такими: ґрунт – чорнозем звичайний середньосуглинистий, вологість – 22,5–25,5 %, твердість – 453–463 кПа, кількість бур'янів – мінімальна 26, максимальна 168 шт/м2. Показники під час обробітку пару: ґрунт – чорнозем звичайний важкосуглинистий, вологість – 20,4–22,4 %, твердість – 558–572 кПа, кількість бур'янів коливалася від 2 до 92 шт./м2.

У табл. 2 наведені дані про знищення бур'янів культиваторними лапами. Різниця в знищенні бур'янів культиваторними лапами з криволінійним лезом на міжрядному обробітку становить 11,0 % за швидкості 1,73 м/с та 11,3 % за швидкості 2,53 м/с у порівнянні зі стандартними.

Під час обробітку пару знищення бур'янів стандартними лапами дорівнює 78,2 %, а лапами з криволінійним лезом 83,2 %, що на 5,0 % більше. Це пояснюється більш оптимальним режимом різання.

Таблиця 2

Знищення бур’янів культиваторними лапами

Тип лапи |

Тип обработки | Швидкість руху, м/с | Знищення бур’янів

средне, % | середньо-квадратичне відхилення у, %

Стандартна |

Міжрядний | 1,73 | 75,0 | 5,7

2,09 | 79,5 | 2,6

2,53 | 79,0 | 15,5

Обробіток пару | 2,02 | 78,2 | 20,3

2,60 | 80,0 | 17,4

2,90 | 81,2 | 19,5

3,20 | 79,3 | 24,3

З криво-лінійним лезом |

Міжрядний | 1,73 | 86,0 | 6,2

2,09 | 91,6 | 5,7

2,53 | 90,3 | 6,1

Обробіток

пару | 2,02 | 83,2 | 13,4

2,60 | 87,9 | 11,2

2,90 | 85,6 | 9,8

3,20 | 88,4 | 14,0

Лапи з криволінійним лезом краще підрізають такі бур'яни, як осот. Із збільшенням швидкості від 2,02 до 3,20 м/с кількість зрізаних бур'янів на 1 пог. м у середньому на 3 шт. більша для лап з криволінійним лезом.

Залипання ґрунтом і обволікання стандартних культиваторних лап становить в середньому 24,3 і 94,8 г відповідно, у той час як для культиваторних лап із криволінійним лезом ці показники змінюються від 31,2 г до нуля. Тобто культиваторні лапи з криволінійним лезом мають можливість самоочищатися за рахунок кращої обтічності поверхні.

Властивість самоочищення лап з криволінійним лезом сприяє більш стійкому руху досліджуваних лап у вертикальній площині.

Стійкість руху лап у вертикальній площині визначалася співвідношенням

,

де – коефіцієнт стійкості;

– середньоквадратичне відхилення глибини обробки, мм;

– середньоквадратичне відхилення поверхні поля, мм.

Середнє значення на міжрядному обробітку для лап з прямолінійним і криволінійним лезом, відповідно, дорівнює 1,28 і 1,02, а при обробітку пару ці значення становлять 1,17 та 1,07. Значення для лап з криволінійним лезом більш близькі до одиниці. Це означає, що їхні коливання у вертикальній площині менші і не залежать від навіски.

Розпушення ґрунту визначалося по вазі фракцій діаметром до 25 мм. Під час обробітку пару цей показник для лап із криволінійним лезом становив 86,25 %, що на 12,5 % більше, ніж у лап з криволінійним лезом. Це можна обґрунтувати більш впорядкованим рухом грунту по поверхні лапи.

Дослідження спрацювання культиваторних лап по площі леза показали, що стандартні лапи мають дві зони підвищеного спрацювання. Це носок лапи та хвостовик крила лапи. Лапи з криволінійним лезом мають тільки одну зону підвищеного спрацювання – носок лапи. Відношення спрацьованої площі лапи до загальної становило: для стандартних лап – 0,297, а для лап з криволінійним лезом – 0,188, що на 36,21 % менше.

У зв’язку з тим, що лезо криволінійних лап спрацьовується менше за стандартні, то їх наробіток до чергового заточування становить 60–80 га, що в 1,5–2 рази вище, ніж у стандартних, тому розрахунок економічної ефективності проводився за двома показниками.

Перший – економія трудозатрат, яка складається із зменшення на 6–8 заточок лап у середньому за сезон при умові повного завантаження агрегату. Економія від скорочення кількості операцій зняття, заточування та монтажу лап становить за сезон 8,82–29,31 грн для просапних культиваторів і 20,16–109,62 грн для суцільного обробітку грунту, залежно від кількості лап та ширини захвату при умові повного річного завантаження.

Другий показник характеризує підвищення врожайності просапних культур від зниження кількості бур’янів. Так, збільшення знищених бур’янів на 13,7 % в посівах кукурудзи на зерно може дати приріст урожаю на 0,85 ц/га, що становить 2,7 %.

Таким чином, економічний ефект від використання культиваторних лап із криволінійним лезом становить 8,82–109,62 грн за сезон і підвищує врожайність просапних культур у середньому на 2,6 %. Економія пального при використанні культиваторних лап із криволінійним лезом, у порівнянні зі стандартною комплектацією, становить: на міжрядному обробітку 10,2 %, а при обробітку пару – 11,8 % на 1 га.

ВИСНОВКИ

1. Наявність прямолінійного леза як у культиваторних лап вітчизняного, так і закордонного виробництва не забезпечує зрізання бур'янів на кінці крила лапи.

2. Розроблено прилад і методику визначення кута тертя бур'янів з урахуванням охоплення леза лапи. Проведені дослідження кута тертя для типових бур'янів степової зони України показали, що значення кута тертя знаходиться в межах ?2 = 41о30/ – 44о40/. Головною фізико-механічною характеристикою бур'янів, незалежно від їхнього виду, є кут тертя бур'янів по металу з урахуванням охоплення леза.

3. Проведено теоретичні дослідження руху ґрунту і бур'яну по прямолінійному лезу лапи які показують, що в результаті відбиття потоку ґрунту від стінки борозни виникає пристінний ефект, дія якого виявляється в утворенні, з боку кінця крила лапи, зони застою шириною 0,22–0,31 довжини леза. Оскільки в зоні застою швидкість руху ґрунту уздовж леза практично дорівнює нулю, то в ній відбувається зависання і наступне обволікання бур'янами крила лапи.

4. Встановлено, що усунення зони застою забезпечується виконанням леза лапи у виді кривої лінії. Одним із варіантів кривої, по якій виконане лезо лапи в горизонтальній площині, є логарифмічна спіраль. Виконання леза лапи у вигляді логарифмічної спіралі дозволяє підсилити динамічний тиск потоку ґрунту пропорційно переміщенню уздовж леза, що усуває зону застою ґрунту і забезпечує повне очищення лапи від бур'янів.

5. Розроблено геометричну модель культиваторної лапи, поверхня якої розгортається. Її лезо виконано по логарифмічній спіралі, що забезпечує лапі підвищену обтічність. Вихідними даними для конструювання лапи запропоновані: кути тертя бур'янів по металу ?2 і ґрунту по металу ?1, що знаходяться в межах: ?2 = 41о30/ – 44о40/, ц1 = 19о30/ – 42о і ширина захвату лапи.

6. Розроблено алгоритм конструювання поверхні, що дозволяє проектувати лапи з криволінійним лезом і такими конструктивними параметрами:

- початковий кут розчину 2 ? = 50–60о;

- ширина захвату 2 b = 250, 270, 330 мм;

- кінцевий кут розчину ? = 3–7о;

- кут між радіус-вектором напрямної і дотичної до неї Q = 35–45о;

- кут нахилу фронтальної проекції верхнього обрізу ?2 = 8–12о;

- висота нижньої точки верхнього обрізу крила лапи Е = 10–12 мм;

- кут нахилу твірної поверхні лапи в першій третині леза ? = 20–30о;

- відстань вершини конічної поверхні від носка лапи дорівнює Хс = (0,5–1,0) l, де l – довжина лапи.

7. Проведено порівняльні лабораторно-польові випробування культиваторних лап із криволінійним лезом і стандартних, які показали:

- на міжрядному обробітку просапних культур знищення бур'янів збільшилося на 13,7 %; на пару – на 6,6 %;

- практично повністю підрізаються осот польовий і мишій сизий, у той час як при використанні стандартних лап їх залишається не зрізаними до 50 %;

- більш висока обтічність ґрунтом криволінійної лапи зменшує залипання ґрунтом лапи на 56 %;

- відсутність обволікання бур'янами культиваторних лап із криволінійною поверхнею сприяє зниженню середньоквадратичного відхилення дна борозни на 9 %;

8. Експериментально підтверджено конструктивні параметри і доцільність застосування культиваторних лап із криволінійним лезом на міжрядному обробітку просапних культур та під час обробітку пару. Відносний знос по площі леза культиваторних лап із криволінійним лезом становить 0,188, що на 36,21 % менше, ніж у стандартних, для яких спрацювання дорівнює 0,297. Значне зменшення спрацювання поверхні лапи збільшує наробіток до чергового заточування в 1,5–2 рази.

9. Здобуті в дослідженнях результати стали основою для розрахункової економічної ефективності від застосування культиваторних лап з криволінійним лезом. Вона становить 8,82–109,62 грн на культиватор за сезон експлуатації та 2,6 % підвищення урожайності просапних культур. Економія пального при обробітку грунту становить у середньому 11 %.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Гаврильченко А.С. Параметрический метод проектирования полольных культиваторных лап с криволинейным лезвием // Вісник Харківського державного технічного університету сільськогосподарського виробництва. – Х.: ХДТУСГ, 2003. – С. 224–228.

2. Гаврильченко А.С. Обоснование формы лезвия культиваторной лапы // Збірник наукових праць Вінницького державного аграрного університету. – Вінниця: ВДАУ, 2004. – Вип. 19. – С. 189–194.

3. Гаврильченко А.С. Проектирование универсальных культиваторных лап с учетом скорости обработки // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Мелітополь: ТДАТА, 2005. – Вип. 26. – С. 48–54.

4. Волик Б.А., Бердник М.Г., Гаврильченко А.С. Аналитическое определение объема зоны деформации при рыхлении почвы долотом // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції „Україна наукова – 2003”. Т. 10. Сільське господарство. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. – С. 25–27. (Особистий внесок автора 60 %. Визначення рівнянь площин сколу грунту).

5. Тищенко С.С., Гаврильченко А.С., Волик Б.А. К динамике движения сорняков по полольной культиваторной лапе // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – Вип. 33. – С. 95–99. (Особистий внесок автора 80 %. Розробка механічної моделі руху бур’яну по лезу лапи з урахуванням опору).

6. Тищенко С.С., Гаврильченко А.С., Ботвинский В.В. Проектирование стрельчатых культиваторных лап с криволинейным лезвием на основе логарифмической спирали // Науковий вісник Національного аграрного університету. – К.: НАУ, 2004. – Вип. 73. – С. 304–309. (Особистий внесок автора 85 %. Розробка алгоритму проектування логарифмічної спиралі в декартовій системі координат).

7. Рабочий орган культиватора: Пат. 63754 Україна МКВ5 А01В35/26 / Гаврильченко А.С., Волик Б.А., Тищенко С.С. – № 2112336 (RU); Заяв. 18.06.03; Опубл. 15.01.04. Бюл. № 1. – 1 с.: кресл. (Особистий внесок автора 85 %. Розроблена закономірність зміни кута між дотичною до леза та напрямком руху лапи).

АНОТАЦІЯ

Гаврильченко О.С. Обґрунтування параметрів і розробка конструкції культиваторних лап з криволінійним лезом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Українська академія аграрних наук. Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” (ННЦ „ІМЕСГ” УААН). Київ, 2005.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів леза і поверхні культиваторної лапи з криволінійним лезом.

У роботі наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень щодо створення культиваторних лап із криволінійним лезом, здатних до самоочищення від налиплого ґрунту і бур'янів. Встановлено явище пристінного ефекту, що створює зону застою ґрунту, що рухається, на кінці крила лапи, в якій зависають бур'яни. Запропоновано спосіб усунення пристінного ефекту шляхом виконання леза лапи у вигляді кривої лінії, зокрема логарифмічної спіралі. Виконання леза лапи по логарифмічній спіралі дозволяє підсилити потік ґрунту пропорційно його переміщенню вздовж леза. Розроблено алгоритм конструювання й обґрунтування параметрів поверхні культиваторних лап різних типорозмірів. Наведено результати порівняльних агротехнічних випробувань культиваторних лап з прямолінійним та криволінійним лезом, що показало явну перевагу останніх.

Основні результати роботи знайшли застосування в розробці низки типорозмірів культиваторних лап шириною 250, 270 і 330 мм.

Ключові слова: залипання грунтом, зависання бур’янів, грунтообробні машини, культиватори, лапи культиваторів, коефіцієнт тертя, агротехнічні показники.

АННОТАЦИЯ

Гаврильченко А.С. Обоснование параметров и разработка конструкции культиваторных лап с криволинейным лезвием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Украинская академия аграрных наук. Национальный научный центр „Институт механизации и электрификации сельского хозяйства” (ННЦ „ИМЭСХ” УААН). Киев, 2005.

Диссертация посвящена обоснованию параметров лезвия и поверхности культиваторной лапы с криволинейным лезвием.

В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию культиваторных лап с криволинейным лезвием, способных к самоочищению от налипшей почвы и сорняков. Теоретические исследования движения почвы по поверхности стандартной культиваторной лапы показывают, что скорость движения почвы вдоль лезвия снижается к его концу. Снижение скорости движения почвы вызывает пристенный эффект, создающий зону застоя движущейся почвы на конце крыла лапы, в которой зависают сорняки. Предложен способ устранения пристенного эффекта, путем выполнения лезвия лапы в виде кривой линии, в частности логарифмической спирали. Выполнение лезвия лапы по логарифмической спирали позволяет усилить поток почвы пропорционально его перемещению вдоль лезвия. Разработан алгоритм конструирования и обоснованы параметры поверхности культиваторных лап различных типоразмеров. В основу лапы положена коническая поверхность, у которой направляющей является собственно лезвие. Благодаря этому такая культиваторная лапа обладает большей обтекаемостью, что, в итоге, обеспечивает ее более устойчивое движение в вертикальной плоскости. Приведены результаты сравнительных агротехнических испытаний культиваторных лап с прямолинейным и криволинейным лезвием, которые показали явное преимущество последних.

Основные результаты работы нашли применение в разработке ряда типоразмеров культиваторных лап шириной 250, 270 и 330 мм.

Ключевые слова: залипание почвой, зависание сорняков, почвообрабатывающие машины, культиваторы, лапы культиваторов, коэффициент трения, агротехнические показатели.

ABSTRACT

Olexander S. Gavrilchenko. Substantiation of Parameters and Designs of Cultivator Shares with Curvilinear Blades. – Manuscript.

The thesis of the applicant for the Scientific Degree of Candidate of Technical Science in Specialty 05.05.11 “Machines and Means for Mechanization of Agricultural Production”.

The National Scientific Centre “The Institute for Mechanization and Electrification of Agriculture” of the Ukrainian Academy of Agrarian Sciences” (NNTs “IMESG”), Kiev, 2005.

The thesis provides substantiation of design parameters and surfaces of curvilinear blades in cultivator shares. The work presents the results of theoretical investigations and field tests for different designs of curvilinear blades in cultivator shares capable of self-cleaning from sticking soil and weeds. The author describes the action of a side-contiguity effect, which causes the formation of a zone with congested soil at the end of a share wing and the hanging of weeds. To avoid this phenomenon, the author suggests a blade design having a curvilinear shape, in the form of logarithmic spiral in particular, which enhances soil motion along the blade proportionally to the speed of a share. The author has developed a design algorithm and surface parameters for cultivator shares of different standard sizes.

Agrotechnical tests of curvilinear blades as compared to straight-line blades prove the advantage of the first. The principal results of this thesis have already been implemented in designing cultivator shares 250 mm, 270 mm and 330 mm wide.

Key words: soil tillage machinery, cultivators, cultivator shares, soil sticking, weed hanging, friction ratio, agrotechnical indexes.