НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КРИЖАЧКІВСЬКИЙ РУСЛАН МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 631.361.01

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ Й ПАРАМЕТРІВ РОБОЧИХ ОРГАНІВ МАШИНИ ДЛЯ ПЕРЕДПОСІВНОГО ОБРОБІТКУ ГРУНТУ

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії (ТДАТА) Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник –

Офіційні опоненти –

Провідна установа – | доктор технічних наук, професор Шевченко Ігор Аркадійович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри сільськогосподар-ських машин

доктор технічних наук, професор Гуков Яків Серафимович, Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, директор

кандидат технічних наук, доцент Сало Василь Михайлович, Кіровоградський національний технічний університет, декан факультету сільськогосподарського машинобудування

Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, кафедра сільськогосподарських машин, Міністерство аграрної політики України, м.Харків

Захист відбудеться “ 14 ” червня 2005 р. о 16-годині на засіданні спеціалізова-ної 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 у бібліотеці Національного аграрного уні-верситету: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к.41

Автореферат розісланий “12” травня 2005 року

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради ___________________ Войтюк Д.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світова наука констатує, що на 70% всіх оброблених земель постійно відчуваються посухи. Причому прісної води не вистачає не через недостатність її на земній кулі, а внаслідок порушення людиною ланцюга, що зв’язує воду з ґрунтом.

Це призводить до зростаючої ролі зрошування, як технологічного прийому що дозволяє регулювати водний баланс у ґрунті та керувати процесом формування високих врожаїв. Але зрошування, як і будь-який не природний фактор впливу на ґрунти, може призводити до негативних наслідків. Агрономічні дослідження показують, що при низькій культурі землеробства, посиленню впливу ґрунтообробних знарядь на ґрунти починають активізуватися процеси їх де-гра-дації. У результаті зростання механічного впливу на ґрунти при зрошенні руйнується їхня структура, відбувається ущільнення, зменшується водопроникність і польова вологоємність.

На припинення цих негативних явищ направлена методологія формування орного горизонту у відповідності із зональними та технологічними вимогами. Ця ідеологія керування механічним складом орного горизонту потребує нових технологічних рішень щодо передпосівного обробітку ґрунту, одним з яких є розробка ґрунтових сепараторів. В зв’язку з цим, удосконалення існуючих і створення нових методів сепарації ґрунту і обґрунтування на їх основі нових комбінованих ґрунтообробних агрегатів для передпосівного обробітку ґрунту має народногосподарське значення і є акту-аль-ним.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження проводились згідно з науково-дослідною програмою Таврійської державної агротехнічної академії „Розробка наукових систем, технологій і технічних засобів забезпечення продовольчої безпеки південного регіону України” (№ ДР 0102U000676), що виконується у відповідності до цільової комплексної національної програми ”Програма розвитку на Україні машинобудування та забезпечення сільськогосподарського виробництва машинами та устаткуванням для комплексної механізації технологічних процесів у рослинництві”.

Мета та завдання досліджень. Мета досліджень полягає у підвищенні продуктивності та зменшенні габаритних розмірів ґрунтового сепаратора при формуванні раціонального пошарового агрегатного складу орного горизонту в умовах зрошування.

Завдання досліджень:–

проаналізувати стан ґрунтів півдня України в період їх механізованого обробітку та умови застосування передпосівного обробітку ґрунту на зрошуванні;–

визначити вплив диференційованого агрегатного складу орного гори-зонту на ефективність накопичення та збереження ґрунтової вологи;–

дослідити процес взаємодії двобарабанного ґрунтового сепаратора з ґрунтом із врахуванням зональних технологічних завдань та з метою отримання максимально можливої продуктивності при зменшенні його габаритів;–

розробити конструкцію двобарабанного ґрунтового сепаратора та експериментально дослідити вплив його конструктивно-технологічних параметрів на умови сепарації та продуктивність для визначених умов роботи методику;–

визначити адаптовані до зональних особливостей ґрунтів конструктивно-техно--логічні параметри двобарабанного ґрунтового сепаратора; –

провести науково-виробничу перевірку та техніко-економічну оцінку розроблених технологічних рішень та технічних засобів передпосівного обробітку ґрунту.

Об’єкт дослідження – технологічний процес та сепаратор для пошарового розподілу агрегатного складу орного горизонту при виконанні передпосівного обробітку ґрунту.

Предмет дослідження – обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів ґрунтового сепаратора при взаємодії із ґрунтовим середовищем.

Методи досліджень. Теоретичне обґрунтування параметрів і режимів ро-бо-ти ґрунтового сепаратора проводилося з використанням математичного моде-лю-ван-ня та базувалося на положеннях статики сипучого середовища, теоретичної механіки, теорії ймовірності та математичної статистики. Експериментальні до-слідження проводилися за стандартними методиками і передбачали використання відеозйомки, методів планування багатофакторного експерименту тощо. Обробка вихідних даних здійснювалась на ПЕОМ з використанням теорії ймовірності, регре-сивного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:–

запропонована нова методика створення ґрунтообробних машин для передпосівного обробітку ґрунту в умовах зрошування із врахуванням агрофізичних властивостей орного горизонту; –

розроблено математичну модель процесу сепарації ґрунту двобарабанним ґрунтовим сепаратором та теоретично досліджений вплив його конструктивно-технологічних параметрів на умови сепарації та продуктивність для визначених умов роботи, що надало можливість зменшити розміри конструкції; –

розроблено та реалізовано у конструкції двобарабанного ґрунтового сепаратора нові конструктивно-технологічні рішення за якими створено ґрунтообробний модуль для передпосівного обробітку ґрунту під просапні культури в умовах зрошування (завищено патентами України № 41108А „Ґрунтовий сепаратор” та № 64446А „Лемішно-барабанний сепаратор ґрунту”);–

на підставі запропонованої методики отримано емпіричні залежності повноти розподілу пошарового агрегатного складу ґрунту у шарі 0-10 см від конструктивно-техноло-гічних параметрів та режимів роботи двобарабанного ґрунтового сепаратора;–

за результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено алгоритм за яким визначено основні конструктивно-техноло-гічні параметри ґрунтового сепаратора для грунтово-кліматичних умов зрошуваного землеробства півдня України.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі отриманих автором результатів теоретичних та експериментальних досліджень: розроблено інженерний метод розрахунку і проектування двобарабанного ґрунтового сепаратора з урахуванням грунтово-кліматичних умов півдня України; обґрунтовано конструктивно-технологічні параметри та режими роботи двобарабанного ґрунтового сепаратора; створено ґрунтообробний модуль для комбінованого ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту в умовах зрошування для формування раціонального фракційного складу посівного і надпосівного шарів ґрунту, що сприяє підвищенню врожайності просапних культур на 5-7 %.

Результати досліджень з обґрунтування робочих органів ґрунтообробних зна-рядь прийнято та впроваджено в УкрЦВТ, ВАТ “Гуляй-піль-сіль-маш” (м. Гуляй--поле) та ВАТ “Галещина, машзавод” (с.м.т. Н. Галещина, Полтавської обл.), а також вико-ристовуються у навчальному процесі кафедри “Сіль-сько-гос-подар--сь-кі ма-шини” ТДАТА при викладанні дисци-плін: “Матема-тич-не моделювання технологічних процесів у сільськогосподарському вироб-ниц-тві”, “Випро-бу-ван-ня та дослідження сіль-сь--ко----господарської техніки”, “Дослід-жен-ня технологічних про-ц-есів і систем машин”.

Особистий внесок здобувача полягає:–

в аналізі технологічних особливостей передпосівного обробітку ґрунту в умо-вах зрошування;–

в розробці і аналізі математичних моделей взаємодії ґрунтового сепаратора барабанного типу з ґрунтом; –

у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень впливу конструктивно-технологічних параметрів двобарабанного ґрунтового сепаратора на процес сепарації; –

в розробці та апробації конструкції експериментального ґрунтового сепаратора; –

в розробці та апробації конструкції ґрунтообробного модуля агрегату для передпосівного обробітку ґрунту.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на науково-технічних конференціях, що проводились в ТДАТА протягом 2000...2003 р.р., на міжнародному симпозіумі “Екологічні аспекти механізації внесення добрив, захисту рослин, обробітку ґрунту, збирання і переробки продукції”, співзасновники ІВМЕR (Варшавський інститут будівництва, механізації і електрифікації в сільському господарстві ) та ТДАТА (Варшава - 2002 р., Мелітополь - 2003 р.), на міжнародних конференціях, що проводились у Національному аграрному університету (Київ - 2003 р.) і Кіровоградському державному технічному університеті (Кіровоград - 2003 р.) та на міжнародному симпозіумі „Aims for future of engineering science” (Igalo, Republic of Montenegro - 2003).

Публікації. За результатами досліджень надруковано 9 наукових праць загальним обсягом 1,1 умовного друкованого аркушу (всі у наукових фахових виданнях), отримано патент України за № 41108А „Ґрунтовий сепаратор” (співавтори Шевченко І.А, Трачов В.В.) та № 64446А „Лемішно-барабанний сепаратор ґрунту” (співавтори Шевченко І.А., Ковязін О.Н).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, переліку посилань та додатків. Обсяг роботи становить 167 сторінок машинописного тексту, на 123 із них викладено текст роботи та список використаних джерел, на 43 додатки. Вона містить 49 ілюстрації ( 27 графіки і схеми, 11 рисунків, 10 фотографії), 9 таблиць. Список використаних джерел складається з 103 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульована мету досліджень та основні положення, що виносяться на захист.

Розділ 1. Сучасний стан проблеми і вибір напрямків досліджень. Розглянуто питання, що пов’язані із зональними особливостями застосування ґрунтообробної техніки, її впливом на збереження й накопичення ґрунтової води та врожайність с.-г. культур, наведено аналіз технічних засобів, що здатні розподіляти ґрунтові агрегати на фракції.

У роботах П.М.Василенка, Л.В.По-горілого, В.В.Ме-две-дє-ва, О.Н.Соколовсь--кого, А.С.Ку-шна---рьо---ва, В.О.Са-ку-на, Я.С.Гукова, В.М. Булгакова, А.І.Па-н---ченка, О.Г.Тараріко, М.К.Ши---кули, F.TerН.Peта ін. запропоновані різні шляхи і методи вирішення технологічних задач обробітку ґрунту, що враховують як стан ґрунтового середовища, так і вплив механічно обробленого ґрунту в подальшому на розвиток та врожайність с.-г. культур. У деяких дослідженнях наголошується, що орний горизонт, який зазнає механічного обробітку, повинен мати диференційовану структуру і поділятися на три шари: надпосівний, посівний і підпосівний. При зрошуванні особливу увагу варто приділяти якості підготовки надпосівного шару як шару, що приймає „ударне” навантаження зрошувальної води. У залежності від наявної будівлі поверхневого та посівного шарів спостерігаються різні умови накопичення та використання води. Встановлено, що є пряма залежність між агрегатним складом цих шарів та динамікою зміни вологості ґрунтів у шарі 0-10 см. Крім того, інтенсивність зрошування значно впливає на зміну розміру ґрунтових агрегатів у поверхневому шарі.

Таким чином, зрошування та механічний обробіток ґрунту треба розглядати як єдине ціле, тому що раціонально підготовлений ґрунт здатен прийняти, зберегти та допомогти с.-г. рослинам раціонально використовувати ґрунтову вологу.

Виходячи з цього, сформульовано основне завдання для ґрунтових сепараторів, що виконують розподіл шару ґрунту на визначений пошаровий агрегатний склад, та дано оцінку раніше розробленим двобарабанним прутковим сепараторам для передпосівного обробітку ґрунту. З’ясувалося, що спроби перенести висновки теоретичних та експериментальних досліджень, які було отримано раніше, на знаряддя, яке виконує технологічний процес на зрошуваних землях, неможливо, тому що:–

глибина посіву просапних культур більша, ніж у зернових, що необхідно враховувати;–

оберти другого барабана на 30 % більші ніж оберти першого. Відбувається ударне навантаження при переході агрегатів з барабана на барабан і часткове їх подрібнення, що небажано, тому що стає на заваді отриманню у поверхневому шарі агрегатів 10-20 мм. Крім того, частково втрачаються водоміцні агрономічно цінні ґрунтові агрегати, що підтверджено експериментальними дослідженнями. Зниження обертів другого барабана для даної конструкції та визначених параметрах, призводить до погіршення умов сепарації;–

недостатня продуктивність ґрунтового сепаратора;–

необхідність зменшення габаритних розмірів сепаратора для використання його у складі комбінованих посівних агрегатів як модуля для передпосівного обробітку ґрунту, а це є основною перспективою подальшого використання ґрунтових сепараторів;–

попередня конструкція не дозволяє адаптувати ґрунтовий сепаратор під різні технологічні задачі та умови роботи;–

недостатня стабільність руху машини за глибиною обробітку ґрунту.

Виходячи з цього виникає необхідність більш ретельного вивчення технологічного процесу двобарабанного пруткового сепаратора ґрунту, що адаптований до умов зрошувального землеробства.

Розділ 2. Теоретичне обґрунтування конструктивно-техно-ло-гічних параметрів двобарабанного ґрунтового сепаратора. Для технічних засобів, здатних виконувати розподіл шару ґрунту на визначений пошаровий агрегатний склад, можна сформулювати наступні вимоги: висока продуктивність і повнота розподілу орного шару ґрунту на заданий пошаровий агрегатний склад; мінімальне розпилення і пошкодження водомістких агрегатів; простота і надійність конструкції, що здатна адаптуватися до різних умов роботи. Цим вимогам відповідає двобарабанний прутковий ґрунтовий сепаратор (рис.1).

У процесі роботи прутки першого барабана здійснюють підйом ґрунту. При цьому частина ґрунтових агрегатів, розміри яких не перевищують відстані між прутками у ряді, просипається на дно борозни, а більш великі піднімаються нагору і передаються на другий барабан, частково при цьому подрібнюючись. Більші фракції при сході з другого барабана розташовуються у верхньому шарі. З метою інтенсифікації завантаження сепаратора може бути встановлено леміш. Оброблена поверхня ущільнюється котком. Захисний кожух перешкоджає розпиленню ґрунту та активній втраті ґрунтової вологи.

В роботі прийнято такі припущення:–

на ділянці первинної сепарації (перший барабан) просіялось 10% технологічної маси. Маса, що просіялась, мала розміри менші ніж відстань між прутками. На другий барабан приходить технологічна маса яка може змінюватися в значних межах у залежності від типу ґрунту, обробітку ґрунту, грунтово-кліматичних, погодних умов тощо;–

руйнування грудок відбувається, в основному (не більш ніж 10 %), за рахунок зміни швидкості, перепаду висот, хвилеподібного руху і часткового удару, близько 10% грудок руйнується в між прутковому просторі як результат защемлення грудки між двома прутками та витисненню їх звідти прутками другого барабану; –

задача полягає в тому, щоб за допомогою запропонованого технічного рішення виконати розподіл ґрунтового середовища на заданий пошаровий агрегатний склад при умові найменшого пошкодження водомістких агрегатів. Під час роботи повинно виконуватись самоочищування “живого” перерізу сепаруючої робочої поверхні.

Рис.1. Конструктивно-технологічна схема ґрунтового сепаратора у складі маши--ни для передпосівного обробітку ґрунту (патент України за № 41108А): 1- рама; 2 – опорне колесо паралелограмної підвіски; 3 – привод; 4,5 – перший і другий барабан для сепарації; 6 – опорний коток

Перш за все, необхідно визначити форму поверхні прутків першого барабану. Для розв’язання цієї оптимізаційної задачі за умови максимально-можливого шляху, який пройдений частинкою ґрунту по прутку за час взаємодії його з ґрунтом (умова сепарації), розроблено програму для ПЕОМ, що дозволяє моделювати процес руху частки ґрунту по поверхні прутка в залежності від зміни радіуса барабанів, глибини обробітку, фізико-механічних властивостей ґрунту, радіуса барабанів і їх кінематичних режимів роботи. З урахуванням максимально можливої глибини обробітку ґрунту і конструктивних особливостей ротора, радіус барабанів повинний дорівнювати R = 0,15 м. Чим менший буде радіус ротора, тим компактнішим та більш універсальним можна зробити модуль сепаратора для використання у комбінованих ґрунто-посівних агрегатах. За даного радіусу барабанів і поступальній швидкості агрегату Vм = 2,0 м/с можна визначити форму прутка, що описується виразом: Y = -0,120 + 0,211Х + 18,54Х2. Для цього було прийнято кутову швидкість першого барабана – ?1 = 6,28 с-1, що є можливим середнім значенням. Виходячи з умови роботи сепаратора, треба спочатку визначити оберти першого барабана, які пов’язані з його пропускною здатністю та умовами часткової сепарації ґрунту, а потім вже корегувати форму прутка, яка задана поліномом – y = ax2 + bx.

Кутова швидкість обертання першого барабану визначає пропускну здатність ґрунтового сепаратора. Для вирішення задачі, пов’язаної з продуктивністю сепаратора, було обґрунтовано площу міжпруткового простору (рис.2), що вміщує неущільнений ґрунт:

,

розраховано центр ваги ґрунту, що переміщується у міжпрутковому просторі:

; ,

та визначено допустимо можливу кутову швидкість першого барабана, при якій весь ґрунт пройде через сепаратор:

.

де xc3, yc3 – координати центра ваги ґрунту, що знаходиться у міжпрутковому просторі до моменту перевантаження; S3 – площа фігури ОКХ0; , .

Рис.2. Визначення площі міжпрут-кового простору, що вміщує ґрунт |

Рис. 3. Схема взаємодії скиби ґрунту з

повер-хнею прутків першого барабану

З іншого боку при роботі ґрунтового двохбарабанного сепаратора у момент виходу прутків першого барабана із ґрунту під дією інерційних сил з них починає сходити ґрунт При повороті на деякий кут – кут сходу ґрунту, гравітаційні сили врівноважують інерційні сили і ґрунт перестає сходити з прутків (рис.3, де Fu – відцентрова сила; Fkop – ко-ріолісова сила; G – сила ваги; Fтр – сила тертя; N – нормальна реакція; – кутова швидкість, рад/с; S – площа ґрунту, м2; – кут повороту прутка, рад; – кут нахилу прутка до горизонту, рад; – кут похилу ґрунту, рад; – кут повороту прямої похилу ґрунту відносно прямої, що про-ходить через початок і кінець прутка, рад.).

Вважаючи що ґрунт рівномірно розподілений по поверхні прутків, визначимо переміщення ґрунту щодо прутків , де k – допустима частка сходу ґрунту з прутків сепаратора, L – довжина прутка.

При сході ґрунту з прутків на відстань центр ваги ґрунту переміститься на відстань (рис.3):

.

Користуючись теоремою про зміну кінетичної енергії та приймаючи ґрунт як сипуче середовище, визначено кут , при якому сход ґрунту з прутків припиняється, з наступного виразу:

,

тобто .

З урахуванням цього, максимально-можлива кутова швидкість обертання першого барабану при умові допустимого відносного переміщення ґрунту по поверхні грати:

.

Для забезпечення технологічного процесу розподілу орного шару ґрунту на заданий пошаровий агрегатний склад необхідно щоб ґрунт у більшості своїй переходив з першого барабану на другий барабан. Для цього прийнято, що ?1 = щ2 а кут між дотичною до першого прутка і другим прутком дорівнював (рис.4).

При повороті другого барабана на деякий кут , прутки першого барабана не перешкоджають сходові ґрунту і він переходить на перший барабан під дією сил інерції. Між тим, є ймовірність, що деякі частинки ґрунту, що перебувають на цей момент наприкінці пруткового барабана можуть опиниться за межею розглянутого ряду прутків. Сила тертя в такому випадку буде спрямована протилежно

Рис.4. Визначення граничних умов схо--

ду ґрунту з розглянутого ряду прутків |

сходові ґрунту, тобто будемо вважати, що її розташування буде паралель-но лінії горизонту (рис.4). В нашо-му випадку треба забезпечити повно-ту переходу часток ґрунту з першого барабана на другий, а також максимально можливий час знаходження часток ґрун-ту на барабанах. Для того, щоб ґрунт не переходив на інший й ряд прутків першого барабану, повинна виконуватися умо---ва , або . Для визначеної умо--ви гранична кутову швидкість другого барабану буде мати вигляд:

.

Рис.5. Залежність ?2 від коефіцієнту зовнішнього тертя (f), радіуса другого барабана (R) та кута установки другого барабана відносно горизонту (в)

Аналіз її залежності від коефіцієнту зовнішнього тертя, радіуса другого барабана та кута установки другого барабана відносно горизонту представлено на рис.5.

З теоретичних досліджень можна зробити висновок, що розглядати геометричні та кінематичні параметри барабанів сепаратора та умови їх роботи необхідно як єдине ціле. При цьому вирішення задачі, пов’язаної з визначенням геометричної форми прутків першого барабану, повинно виконуватися паралельно з визначенням кутових швидкостей першого та другого барабанів, причому для пер-шого – як за умови пропускної здатності, так і за умови забезпечення часткової сепарації. Таким чином, визначено кутову швидкість, розміщення та форму прутків другого барабану ґрунтового сепаратора за умов повноти перевантаження, забезпечення сепарації та неподрібнення часток ґрунту. Зміщення за фазами обертів другого барабана відносно першого призводить до інших умов сепарації, які необхідно дослідити експериментально. За теоретичними дослідженнями для більш типових умов виконання передпосівного обробітку ґрунту і максимально можливої пропускної здатності двобарабанного ґрунтового сепаратора для h = 100 мм і Vм = 2,0 м/с можна встановити діаметр першого барабана 280 мм та оберти барабанів 70 хв-1. На підставі досліджень внесено зміни до конструкції ґрунтового сепаратора (патент України № 64446А “Лемішно-барабанний сепаратор ґрунту”) (рис.4), що дозволяє зробити процес сепарації більш інтенсивним та ефективним.

1 2 3

Рис.4. Комбіноване ґрунтообробне знаряддя для передпосівного обробітку ґрунту під просапні культури, де 1 – редуктор приводу, 2 – лемеш, 3 – барабани, що сепарують грунт

Розділ 3. Методика проведення експериментальних досліджень. Експериментальні випробування проводились на полях Південної Філії ННЦ ІМЕСГ УААН (Запорізька обл.), виробничі – на полях учбового господарства Таврійської державної агротехнічної академії (с.м.т. Лазурне, Мелітопольській район Запорізької обл.) відповідно до загальноприйнятих методик, мето-дики УНДІГА ім. А.М.Соколовського УААН (м. Харків), ДОСТ 20915-75 "Сіль---сь-ко--господарська техніка, методи визначення умов випробувань", ОСТ 23.10-85 "Ма-шини для поверхневого і передпосівного обробітку ґрунту".

Досліджувані параметри в експерименті та діапазон їх варіювання представлено у табл.1 та на рис.5 та 6. Планом експерименту передбачалось реалізацію матриця D-опти-маль-ного чотирьох факторного плану другого порядку.

Параметрами оптимізації в дослідженнях встановлювалися:

Y1 – процентний вміст агрегатів розміром 10-20 мм у шарі 0...5 см після проходу машини;

Y2 – процентний вміст агрегатів розміром 0,25-5 мм у шарі 5...8 см після проходу машини.

Таблиця 1 – Параметри, що варіювалися в експерименті за визначенням їх впливу на показники якості роботи ґрунтового сепаратора

Параметри | -1 | 0 | +1 | Інтервал

1. Кут розташування другого барабана відносно гори-зонту – X1 (в), ?рад. | 5 | 13 | 21 | 8

2. Діаметр другого барабану – X2 (D), мм | 280 | 320 | 360 | 40

3. Кут зміщення за фазами обертів другого барабана відносно першого – X3 (и) , град | 0 | 16 | 32 | 16

4. Глибина обробітку – X4 (h), мм | 80 | 100 | 120 | 20

Рис.5. Параметри, що варіювалися в експерименті

Рис.6. Науково-дослідний зразок модулю ґрунтового сепаратора

Розділ 4. Експериментальне обґрунтування конструктивно-техноло-гіч-них параметрів ґрунто-вого сепаратора барабанного типу. Умови випробувань: тип ґрунту – темно-каштановий; фон – культивований пар; вологість й щільність ґрунту, відповідно для h = 0...5 см: W = 11,6...12,4 % та ? = 0,92...1,08 г/см3 , для h = 5...12 см: W = 14,9...16,5 % та ? = 1,14...1,21 г/см3 . До обробітку визначався середній пошаровий вміст ґрунтових агрегатів за фракціями.

Результати експерименту було оброблено з використанням прикладних пакетів програм на ПЕОМ. Розрахунки моделей показали, що отримані ре-гре-сійні моделі можна використовувати як „оптимізаційні” моделі, які до-зво-ляють встановити раціональні параметри ґрунтового сепаратора для визначених умов роботи.

Було отримано два рівняння регресії, що адекватно описують досліджуваний процес за встановленими параметрами оптимізації:

Y1 = 73.21 + 0.36X1 + 3.10X2 - 6.21X3 + 2.04X4 - 3.75X1X2 - 2.95X1X3 + 4.43X1X4 - 1.35X2X3 + 8.01X2X4 + 9.39X3X4 - 15.43X12 + 13.86X22 - 8.35X32 - 16.18X42;

Y2 = 78.81 + 3.83X1 + 11.23X2 +3.63X3 - 2.96X4 - 4.39X1X2 - 4.77X1X3 - 0.59X1X4 - 6.08X2X3 + 5.55X2X4 + 8.33X3X4 - 11.33X12 + 8.98X22 - 4.54X32 - 10.55X42.

При цьому, максимальне значення для Y1 = 92,5 % буде при: Х1 = -0.049 або ? 130 (12034’) ; Х2 = 1.0 або D = 360 мм; Х3 = -0.326 або ? = 110; Х4 = 0.209 або h = 104,2 мм. Відповідно, максимальне значення для Y2 = 99,3% буде при: Х1 = -0.033 або ? 130 (13О19’); Х2 = 1.0 або D = 360 мм; Х3 = -0.274 або ? = 120; Х4 = 0.013 або h = 100,3 м. Графічну інтерпретацію результатів досліджень за одним із критеріїв оптимізації (Y1) представлено на рис.7.

Рис. 7. Поверхня відгуку впливу досліджуваних параметрів Х1 (в) ?а Х3 (и ) на Y1 (фіксовані параметри Х2 = 1.0 (D = 360 мм), Х4 = 0.209 (h = 104,2 мм)

За результатами експериментальних досліджень для обох критеріїв оптимізації отримано значення факторів, що визначають максимально можливе вміщення агрегатів с розміром 10...20 мм у шарі 0-5 см та агрегатів 0.25...5 мм у шарі 5-8 см дуже близькими, тому не потрібно вирішувати компромісну. Такий випадок зустрічається дуже не часто і пояснюється тим, що збільшенням діаметру другого барабану та введенням зміщення за фазами обертів барабанів вирівнюється розподіл відповідних агрегатів по обох шарах ґрунту. На практиці для прийняття рішення щодо проектування сепаратора під конкретні технологічні задачі та умови роботи необхідно вирішувати якими параметрами можна поступитися при адаптації пристрою до конструктивних особливостей комбінованих грунтово-посівних агрегатів, тобто прив’язка до конструкції потребує спрощення конструкції з метою збільшення її працездатності та надійності при найменших втратах якості роботи. У такому випадку отримані результати якнайкраще підходять для вирішення таких питань – за рівняннями регресії завжди можна прорахувати наслідки вибору тих або інших параметрів.

Отримано наступні значення параметрів ґрунтового сепаратора барабанного типу під просапні культури для умов зрошування: зазор між прутками на барабані – z = 5 мм; діаметр першого барабану – D1 = 280 мм; діаметр другого барабану – D2 = 320 мм; кут розташування другого барабана відносно гори-зонту – ? = 13 град.; кут зміщення за фазами обертів другого барабана відносно першого – ? = 11 град.; оберти барабанів (для швидкості агрегату Vм 1,94...2,0 м/с) – n1 = 70 хв-1; для глибини обробітку 100 мм і Vм 1,94...2,0 м/с – форма прутка першого барабану описується виразом: Y = -0,120 + 0,232Х + 16,44Х2. Прутки другого барабану виконано відрізками прямих.

За результатами досліджень було виготовлено макетний зразок машини для передпосівного ґрунту під просапні культури та проведено його порівняльні виробничі випробування, висновки яких наведено у табл.2 та табл.3. Результати свідчать про ефективність роботи нового знаряддя в умовах зрошуваного землеробства (після передпосівного обробітку ґрунту зрошування виконувалось із гідромодулем 0,4…0,5 л/с/га).

Таблиця 2 – Показники вологості та щільності ґрунту через 10 діб після зрошування

Передпосівний

обробіток

ґрунту | Шар 0…5 см | Шар 5…12 см

Вологість ґрунту, % | Щільність ґрунту, г/см3 | Вологість ґрунту, % | Щільність ґрунту, г/см3

АМО-5,4 | 13,6…14,2 | 1,19…1,21 | 13,8…14,4 | 1,16…1,18

МПГС-6М | 13,8...14,1 | 1,19…1,20 | 16,4…16,9 | 1,20…1,24

Без

передпосівного обробітку | 13,4…13,9 | 1,19…1,21 | 13,8…14,4 | 1,16…1,18

Таблиця 3 – Розподіл ґрунтових агрегатів по шарах через 10 діб після зрошування

Передпосівний обробіток ґрунту | Шар 0…5 см | Шар 5…12 см

Вміст фракції 10...20 мм, % | Вміст фракції 0,25...5 мм, % | Вміст фракції 10...20 мм, % | Вміст фракції 0,25...5 мм, %

АМО-5,4 | 26,1±5,8 | 46,5±6,3 | 24,9±9,9 | 46±7,4

МПГС-6М | 59,7±5,9 | 18,1±7,2 | 4±2,3 | 77±8,4

Без передпосівного обробітку | 21,3±9,6 | 39,3±11,8 | 39,7±15,2 | 54,1±14,1

Розділ 5. Техніко-економічна ефективність застосування машини для передпосівного обробітку ґрунту із формуванням заданого структурного складу поверхневого та насіннєвого шарів. Розрахунок економічної ефективності запропонованого знаряддя в порівнянні із базовим варіантом дозволив отримати річний економічний ефект у розмірі 40503,5 грн. за рахунок мінімально-можливого зростання врожайності на рівні 3-5 %. При цьому не враховано те, що ґрунтовий сепаратор повністю виносить на поверхню поля бур’яни і тому немає необхідності у використанні гербіцидів у смугах, що ним обробляються.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що зрошування дощуванням та механічний обробіток ґрунту треба розглядати як єдине ціле. Адаптивно підготовлений ґрунт покращує ефективність використання зрошувальної води з метою отримання рентабельної врожайності с.-г. культур. Для збереження та накопичення ґрунтової вологи поверхневий шар ґрунту 0-50 мм повинен вміщувати не менше ніж 80 % фракції з розміром 10-20 мм (із врахуванням руйнування цієї фракції при зрошуванні дощуванням) при вмісту фракції розміром 0,25...5 мм у шарі 50-80 мм – 80 %.

2. За теоретичними дослідженнями для визначених умов роботи розроблено математичну модель технологічного процесу транспортування грунту двобарабанним ґрунтовим сепаратором, яка дозволяє встановити раціональні конструктивно-технологічні параметри сепаратора: діаметр пер-шого барабана, оберти барабанів, форми прутків першого барабана, та обґрунтувати нову конструктивно-техно-логічну схему ґрунтового сепаратора що збільшує продуктивність на 8-12 %.

3. Повнота розподілу пошарового агрегатного складу грунту у шарі 0-10 см за експериментальними дослідженнями визначається конструктивно-технологічними параметрами двобарабанного ґрунтового сепаратора: кутом розташування другого барабана відносно горизонту, діаметром другого барабану, кутом зміщення за фазами, обертів другого барабана відносно першого та глибиною обробітку, що описано рівняннями регресії.

4. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено алгоритм щодо визначення основних конструктивно-техноло-гічних параметрів модулю двобарабанного ґрунтового сепаратора в залежності від реальних умов роботи (тип грунту – темно-каштановий) на підставі якого встановлено:–

зазор між прутками на барабані, z = 18 мм;–

діаметр першого барабану, D1 = 280 мм;–

діаметр другого барабану, D2 = 320 мм;–

кут розташування другого барабана відносно

гори-зонту, ? = 13 град.;–

кут зміщення за фазами обертів другого барабана

відносно першого, ? = 11 град.;–

оберти барабанів (для швидкості агрегату

Vм 1,94...2,0 м/с) n1 = n2 = 70 хв-1;–

для глибини обробітку 100 мм і Vм 1,94...2,0 м/с: форма прутка першого барабану описується виразом: Y = -0,120 + 0,232Х + 16,44Х2. Прутки другого барабану виконано відрізками прямих.

5. порівняльні випробування модулю двобарабанного ґрунтового сепаратора у виробничих умовах показали, що вміст фракції розміром 10...20 мм у шарі 0-50 мм – 79,4...84,7 % та 0,25...5 мм у шарі 50-80 мм – 78,3...84,2 % при роботі на різних за зволоженням ґрунтах (вологість ґрунту від 10 % до 17 %), що не може бути отримано за рахунок роботи інших існуючих технічних засобів і відповідає оптимальним умовам розвитку рослин, при 98±2 % виносі бур’янів та їх кореневої системи на поверхню поля. У порівнянні із попереднім ґрунтовим сепаратором (МПГС-4) продуктивність ґрунтообробного модулю МПГС-6М збільшилась на 8...12 % при зменшені розмірів та ваги приблизно на 18-22 %.

6. Застосування нового модулю двобарабанного ґрунтового сепаратора у складі ґрунтообробної машини для передпосівного обробітку ґрунту у порівнянні з серійною дозволяє отримати мінімальне збільшення врожайності кукурудзи на зерно на 3..5 %, за рахунок чого річний економічний ефект склав 40504 грн. на одну машину.

СПИСОК

опублікованих наукових праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Крижачківський Р.М. Обґрунтування конструктивно-технологічної схеми й параметрів робочих органів машини для передпосівного обробітку ґрунту. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет. - Київ, 2005 р.

В роботі зрошування та механічний обробіток ґрунту розглянуто як єдине ціле та запропоновано для передпосівного обробітку ґрунту використовувати ґрунтові сепаратори.

На підставі теоретичних досліджень визначені кутова швидкість, розміщення та форма прутків другого барабану ґрунтового сепаратора за умов повноти перевантаження, забезпечення сепарації та не подрібнення часток ґрунту. З теоретичних досліджень прийнята форма прутків другого барабану, введено зміщення за фазами оберти другого барабана відносно першого, виготовлений дослід-ний зразок машини для передпосівного обробітку ґрунту.

За результатами експериментальних досліджень отримано регресійні моделі, що характеризують вплив конструктивно-технологічних параметрів ґрунтового сепаратора на процес пошарового розподілу ґрунтових агрегатів, визначено основні конструктивно-технологічні параметри ґрунтового сепаратора барабанного типу, проведено його порівняльні польові випробування.

Ключові слова: передпосівний обробіток ґрунту, зрошування, агрофізичні показники, регресійні моделі.

Крыжачковский Р.Н. Обоснование конструктивно-технологической схемы и параметиров робочих органов машины для предпосевной обработки почвы. – Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Национальный аграрный университет. – Киев, 2005 г.

Основные принципы зональных систем земледелия состоят, прежде всего, во всестороннем анализе и учете природноклиматических и грунтовых условий, с целью получения стойких урожаев, независимо от погодных явлений, которые возможны в условиях юга Украины при применении орошения. При орошении особое внимание следует уделять качеству подготовки надпосевного слоя почвы, как слоя, который принимает „ударную” нагрузку оросительной воды, это во-первых, а во-вторых он вместе с посевным слоем вбирает воду, сохраняет ее и направляет для использования растениями.

В работе орошение и механическое возделывание грунта рассмотрены как единое целое, так как рационально подготовленный грунт способен принять, сохранить и помочь с.-г. растениям рационально использовать грунтовую влагу. Кроме того, перераспределение агрегатного состава грунта по размерам в поверхностном слое разрешает значительно уменьшить отрицательное влияние капель воды при интенсивном орошении на процесс „заиливания" почвы и переуплотнения в отдельности взятых ее составных.

На основании теоретических исследований определены угловая скорость, размещение и форма прутков второго барабана почвенного сепаратора, при условиях полноты перегрузки, обеспечения сепарации и не измельчении частиц грунта. Из теоретических исследований принята форма прутков второго барабана, введены смещения за фазами, обороты второго барабана относительно первого, изготовлен исследовательский образец машины для предпосевной обработки почвы.

Разработана методика экспериментальных исследований комбинированных почвообрабатывающих машин для предпосевной обработки почвы. По результатам экспериментальных исследований получены регрессионные модели, что характеризуют влияние конструктивно-технологических параметров почвенного сепаратора на процесс послойного распределения почвенных агрегатов.

На основании теоретических и экспериментальных исследований определены основные конструктивно технологические параметры почвенного сепаратора барабанного типа.

Результаты сравнительных испытаний подтвердили основные агротехнологические положения, относительно эффективности формирования дифференцированного послойного агрегатного состава надпосевного и посевного слоев пахотного горизонта в условиях орошения.

Ключевые слова: предпосевная обработка почвы, орошение, агрофизические показатели, регрессионные модели.

Kryzhachkivskiy R.M. Ground of structural-technological chart and parameters of working organs of machine for pre-sowing treatment of soil. – Manuscript

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.05.11 – machine and resort of mechanization of agricultural production. National agrarian university. – Kiev, 2005.

In the work irrigation and mechanical soil cultivation are considered as single whole, and soil separators utilization is proposed.

Angular speed, arrangement and second drum twigs shape of the soil separator are defined on the theoretical research base under the conditions of whole overload, separation providing and without grinding down of soil parts. Second drum twigs shape is accepted from theoretical research, second drum revolution displacements on phases relatively the first one are introduced, research machine model for pre-sowing cultivation is produced.

Regression models are obtained according to results of experimental research, these models characterizes influence of soil separator constructional and technological parameters on soil parts dispersion on layers. Basic soil separator constructional and technological parameters are defined, comparative field tests are realized.

Key words: pre-sowing cultivation, irrigation, agro-physical indices, regression models.