ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Львівський державний аграрний університет
Лук’янчук Олександр Петрович
УДК 631.312.5
Обґрунтування конструктивно-технологічних
ПАРАМЕТРІВ ЯРУСНого глибокоРОЗПУШУВАЧа
05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання Національного університету водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Ткачук Валентин Федорович,
Національний університет водного господарства та природокористування, в.о. професора кафедри будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Дубровін Валерій Олександрович,
Національний аграрний університет,
директор НДІ техніки і технологій;
кандидат технічних наук, доцент
Волик Борис Анатолійович,
Дніпропетровський державний аграрний університет,
доцент кафедри сільськогосподарських машин.
Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут механізації та
електрифікації сільського господарства” УААН,
лабораторія механізації обробітку ґрунту і сівби.
Захист відбудеться “ 5 ” квітня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, корпус факультету механізації сільського господарства, ауд. 34 М.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, головний корпус.
Автореферат розісланий “ 9 ” лютого 2005 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Ковалишин С.Й.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Аналіз стану сільськогосподарських земель Західного Полісся свідчить про наявність значної кількості перезволожених важких ґрунтів з незадовільними водно-фізичними властивостями. Це призводить до зниження їх родючості і врожайності вирощуваних культур.
Дослідженнями встановлено, що довготривале використання на старо-орних землях енергонасиченої техніки веде до утворення “підорної підошви” і надмірного ущільнення підорного шару на глибину від 0,4 до 1,2 м. Наслідком цього є зниження живильних, фільтраційних та протиерозійних властивостей ґрунтів.
Для покращення фізичного стану ґрунту в умовах надлишкового зволо-ження чи ущільнення раз на три роки проводять глибоке розпушення ґрунту. Воно передбачає розпушення підорного шару ущільненого ґрунту на необхідну глибину, що підвищує ефективність орного родючого шару і покращує фільтраційні властивості підорних шарів.
З цією метою застосовують здебільшого глибокорозпушувачі без-відвального типу. Однак, до цього часу розробка їх конструкцій, в переважній більшості, проводилась з позицій зменшення тягового опору, і в меншій мірі – з позицій досягнення якісних показників роботи. В їх параметрах не в повній мірі враховані вимоги до якості обробітку орного та підорних шарів. За існуючими технологіями необхідна якість розпушення орного та підорних шарів досягається використанням комбінації декількох видів обробітку, що призводить до додаткових енерговитрат. Крім того, існуючі ґрунтообробні органи зумовлюють об’ємні деформації, які збільшують непродуктивні енерговитрати.
У зв’язку з цим, актуальною задачею на даний час, є розробка високо-ефективних глибокорозпушувачів, які б дозволили, на основі врахування різних ґрунтових умов в орному та підорному шарах, покращити показники розпушення ґрунту.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до програми наукових досліджень Національного універ-ситету водного господарства та природокористування “Розробка і впро-вадження енергозберігаючих робочих органів машин для глибокого різання важких ґрунтів” (номер державної реєстрації UA01012656P), яка є складовою частиною державної міжгалузевої науково-технічної програми ДКНТП України з пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи було підвищення ефективності глибокого розпушення ґрунту на основі створення нового ярусного робочого органа глибокорозпушувача з обґрунтуванням його конструктивно-технологічних параметрів на підставі врахування фізико-механічних характеристик ґрунту в орному та підорних шарах.
Для досягнення поставленої мети вирішенню підлягали наступні задачі:
- проаналізувати чинні способи і засоби глибокого розпушення перезволожених та ущільнених ґрунтів, з’ясувати недоліки та обґрунтувати напрями їх усунення;
- теоретично й експериментально обґрунтувати форму та параметри ґрунторозпушувальних поверхонь ярусного глибокорозпушувача, а також їх просторове розміщення в напрямку руху машини з врахуванням різних ґрунтових умов в орному та підорних шарах;
- дослідити експериментально вплив фізико-механічних показників ґрунтів та конструктивних параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь на якість розпушення ґрунту;
- розробити інженерну методику проектування та розрахунку ярусних глибокорозпушувачів;
- виготовити та провести випробування зразка запропонованого глибокорозпушувача, оцінити ефективність його роботи.
Об’єкт досліджень – процес глибокого ярусного розпушення ґрунту та технічні засоби для його здійснення.
Предмет досліджень – вплив характеристик ґрунтового середовища і конструктивно-технологічних параметрів робочого органа ярусного глибоко-розпушувача на кількісні та якісні показники розпушення ґрунту.
Методи досліджень. Теоретичні дослідження базувались на загальних положеннях землеробської механіки, елементах теорії суцільного середовища, теорії міцності Кулона-Мора. Аналітично-графічний аналіз математичних моделей виконувався за допомогою візуального їх відтворення у просторі та часі на ПЕОМ з використанням прикладних (MS Excel, MathCAD Professional, T-Flex CAD-7.0, КОМПАС-5.10-3D та ін.) та розроблених програм (на базі Borland Pascal). Експериментальні дослідження проводилися з використанням динамометрування, прямих вимірювань, математичного планування багатофакторного експерименту із застосуванням методів статистичного опрацювання результатів досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
- аналітично і експериментально обґрунтовано основні принципи ство-рення адаптованих пасивних робочих органів для диференційованого по вертикалі глибокого розпушення ґрунтів;
- вперше запропоновано та досліджено закономірності механізму розпу-шення ґрунтової скиби двоплощинним згином;
- отримано математичні моделі форм ґрунторозпушувальних поверхонь безвідвального жолобоподібного типу та теоретичні залежності для визначення їх параметрів для орного та підорних шарів;
- обґрунтовано поярусне рознесення ґрунторозпушувальних поверхонь глибокорозпушувача в напрямку його руху з позицій забезпечення необхідних показників розпушення і мінімізації енергоємності процесу.
Практична цінність роботи полягає в розробці методики проекту-вання та інженерного розрахунку ярусного глибокорозпушувача на основі характеристик ґрунтового середовища в орних і підорних шарах; створенні та випробуванні експериментальних зразків розробленого глибокорозпушувача; отриманні експериментальних залежностей, які дають змогу попередньо оцінити структуру розпушення при різних ґрунтових умовах.
Результати теоретичних та експериментальних досліджень взяті до використання конструкторським бюро виробничого обєднання ВАТ “Рівнесільмаш”.
Ефективність роботи розробленого глибокорозпушувача підтверджена отриманим економічним ефектом за питомими енерговитратами на основі результатів лабораторно-польових випробувань дослідних зразків.
Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, дослі-джено силову взаємодію ґрунтової скиби з ґрунторозпушувальною поверхнею жолобоподібного безвідвального типу [1], проаналізовано можливі форми таких ґрунторозпушувальних поверхонь [3, 4] та ефективність їх застосування в ярусному глибокорозпушувачі [5], виведені математичні моделі форм ґрунторозпушувальних поверхонь глибокорозпушувача для різних умов застосування [6, 8], експериментально досліджено вплив фізико-механічних характеристик ґрунту на його деформаційні показники розриву [7].
Апробація результатів дисертаційної роботи. Основний зміст роботи та окремі її положення доповідалися і отримали позитивну оцінку на науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів НУВГП (м. Рівне, 2002, 2003, 2004 рр.); науково-практичній конференції Державного комітету України по водному господарству “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розв’язку” (м. Київ, 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Біоекотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві” (м. Київ, 2004 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Агромех-2004” (м. Львів, 2004 р.).
Публікації. За результатами досліджень у фахових виданнях опублі-ковано 8 наукових праць. Загальний обсяг публікацій становить 1,7 друк. арк.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 145 найменувань та додатків. Основна частина викладена на 137 сторінках, містить 49 рисунків та 17 таблиць. Повний обсяг роботи становить 175 сторінок.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дисертаційних досліджень, визначено наукову та практичну цінність одержаних результатів, наведено загальну характеристику дисертації.
У першому розділі “Аналіз стану питання, мета і задачі досліджень” проаналізовано відповідність сучасним вимогам стану глибокого розпушення на староорних сільськогосподарських землях в західному регіоні України. Відповідно до агротехнічних вимог визначено основні принципи створення робочих органів глибокорозпушувачів. На основі аналізу технічних засобів, їх робочих органів та способів розпушення з точки зору зниження енергоємності при досягненні необхідної якості, виявлено, що найбільш прийнятним є поперечний згин ґрунтової скиби, яка утворюється переважно сколом на лемеші робочого органа. Доведено необхідність створення нового ярусного глибокорозпушувача з ґрунторозпушувальними поверхнями двоплощинного згину ґрунтової скиби, з врахуванням різних ґрунтових умов в орному та підорних шарах.
На основі проведеного аналізу зроблено підсумкові висновки, об-ґрунтовано мету та задачі досліджень.
Передумовою успішного вирішення поставлених задач є праці та дослідження багатьох відомих вчених. Вагомий вклад в розв’язання загальних питань землеробської механіки та обробітку ґрунту внесли: В.П.Горячкін, П.М.Василенко, Л.В.Погорілий, В.А.Сакун, В.І.Виноградов, Ю.О.Вєтров, А.М.Зєлєнін, А.С.Кушнарьов, В.С.Козаков, В.О.Дубровін, Д.Д.Прокопенко, І.А.Шевченко та ін. У дослідженнях вище зазначених вчених відображена низка суттєвих аспектів та висвітлені важливі закономірності процесу розпушення ґрунтів. При глибокому обробітку значної уваги заслуговує, ярусна схема робочих органів. Основні принципи та переваги такої схеми відображені в роботах С.В.Кравця, Є.Д.Томіна, В.І.Баловнєва та інших. Нагальним залишається питання якісних показників розпушення ґрунту та їх залежності від форми та параметрів робочих органів, що відображено в працях таких вчених як: Я.С.Гукова, В.І.Корабельського, А.С.Павлоцького, В.І.Вєтохіна, Б.А.Шелудченка, А.Н.Панченка, Б.А.Волика, В.Ф.Ткачука, О.П.Рижого. Однак, до цього часу залишається недослідженим ряд питань, багато з них досліджені частково або потребують доопрацювання. Зокрема, актуальною задачею є підвищення ефективності процесу глибокого розпу-шення ґрунту та отримання відповідних якісних та кількісних показників розпушення орного та підорного шарів. Це, в свою чергу, вимагає теоретичного й експериментального обґрунтування, дослідження ґрунторозпушувальних поверхонь глибокорозпушувача та його параметрів.
У другому розділі “Теоретичне обґрунтування робочого органа ярусного глибокорозпушувача” запропоновано механізм розпушення ґрунтової скиби двоплощинним згином; на основі геометричного та кінематично-динамічного аналізу згину ґрунтової скиби з врахуванням ґрунтових умов в орному і підорних шарах теоретично обґрунтовано форму та параметри ґрунторозпушувальних поверхонь; вдосконалено науково-методичні основи обґрунтування просторового розміщення ґрунторозпушувальних поверхонь ярусного глибокорозпушувача, виходячи з необхідності зменшення загального тягового опору з одночасним забезпеченням повноти зони розпушення.
Так, для вирішення поставлених задач, розглянуто розпушення ґрунту згином на ґрунторозпушувальній поверхні певної криволінійної форми (рис. .). Основними параметрами такої поверхні є її форма – закон зміни попе-речної кривизни в напрямку осі х, кінцевий радіус Rк, ширина L та довжина а.
Відомими є поверхні з лінійчатими твірними. Але, стосовно постав-лених задач та мети, вони мають ряд недоліків. Визначальним є те, що невідповідність співвідношення геометричних параметрів та форми поверхні до процесу згину ґрунтової скиби, наявність еліптичних поперечних перерізів в середині поверхні призводить до значних деформацій стиску та нерівномір-ності інтенсивності розпушення ґрунту.
Визначення раціональної форми ґрунторозпушувальної поверхні базу-валося на знаходженні математичного закону переходу від початкової прямої до кінцевої дугової кривої певного радіуса.
ґрунтова скиба розглядалася як ізотропне середовище, яке руйнується згином. Вважалося, що залежно від співвідношення поперечних розмірів ґрунтової скиби, при згині вона розшаровується на паралельні горизонтальні шари внаслідок виникнення граничних дотичних напружень по нейтральних лініях згину (рис. 2.). Кожен шар скиби руйнується на окремі агрегати внаслі-док виникнення граничних нормальних напруженнях розтягу (розриву). При остаточному горизонтальному розшаруванні віддаль між горизонтальними шарами lк(n) (1) повинна дорівнювати заданій величині поперечника ґрунтового агрегату lк.
, (1)
де lк(n) – віддаль між нижніми горизонтальними шарами на nій стадії подрібнення ґрунтового шару, що визначає величину утворюваних структурних агрегатів; n=1, 2, …, (m–1); n=m, при lк(n)=lк.
Рис. 1. Ґрунторозпушувальна Рис. 2. Схема подрібнення ґрунтової скиби згином
поверхня
При розгляді згину ґрунтової скиби, основну увагу приділено зоні розтягу (розриву), як найбільш переважаючої (63-82%). На основі попередніх досліджень прийнята до уваги теорія Кулона-Мора, як для середовища, яке чинить різний опір деформаціям розтягу та стиску, та лінійна залежність між напруженнями та деформаціями до межі руйнування ґрунту від розриву. На цій основі визначені необхідні для подальших розрахунків величини відношення товщини зони розтягу до товщини зони стиску при згині, kh=hр/hсsc/sp.
Графоаналітичний аналіз руху точок ґрунтової скиби (рис.3.) дозволив спростити подальші розрахунки, внаслідок апроксимації траєкторії руху кожної точки ґрунтової скиби дугою кола з центром на осі ординат (максимальна розбіжність по осі абсцис – 3,3%). За результатами проведених кінематичних та аналітичних досліджень просторових траєкторій точок ґрунтової скиби та характеру їх інерційного навантаження, раціональним визначено рівномірний режим руху.
Визначення величини кінцевого радіуса згину ґрунтової скиби Rк (2), як головного параметра, який впливає на якість розпушення, базується на заданих величинах поперечника ґрунтових агрегатів lк та характеристики стану ґрунту р (гранична відносна деформація розриву) (рис. .).
Рис. 3. Геометрія поперечного
перерізу ґрунторозпушувальної
поверхні (1/2 частини) | Рис. 4. Залежність кінцевого радіуса поперечної кривизни від поперечника ґрунтового агрегату
.......... – твердий супісок;
_ _ _ _ легкий суглинок; ____ - легкий суглинок з добавкою гумусу
Враховуючи агротехнічні вимоги (lк=0,005-0,008 м) та фізико-механічні характеристики ґрунтів близьких до стану “спілості”, визначено, що для підорних шарів ґрунту, переважно мінерального складу (ер=1,0-1,5%), радіус кінцевого поперечного перерізу поверхні повинен становити Rк=0,25-0,41 м, а для верхніх орних гумусних шарів (ер=2,0-3,0%) – Rк=0,13-0,21 м.
. (2)
Орієнтуючись на прийнятий механізм та умови розпушення ґрунтового шару згином, методом варіаційного числення (3) отримано математичну модель форми поверхні (4) розпушення ґрунту за мінімальний час t та визначено найбільш вагомі її чинники – а та Rк:
(3)
де L – ширина поверхні; lк – задана величина поперечника структурного ґрунтового агрегату; Vд, Vагр – швидкості, відповідно, деформації розтягу нижніх волокон ґрунтової скиби та поступального руху робочого органа; а – довжина поверхні; R(x), Rк – відповідно, радіуси поточного та кінцевого поперечного перерізу поверхні.
Математична модель ґрунторозпушувальної поверхні має вигляд:
. (4)
Орієнтуючись на енергоємність процесу та рівномірність силового навантаження, визначено раціональний кут встановлення ґрунторозпушувальної поверхні до дна борозни (?р=25-30°). Для цього, розглянуто навантаження нескінченно малих величин ґрунтової скиби з переходом до всього тіла ґрунтової скиби і проаналізовано її силову взаємодію з ґрунторозпушувальною поверхнею (рис. .). Розгляд умов силової рівноваги (при Rк=0,15...0,35 м; L=0,2...0,5 м; а=0,25...0,55 м; h=0,05...0,20 м; [уp]=3...7 кПа; ер=1,0...3,0%; Сзч=20...60 кПа; k=30...80 кПа), дозволили змоделювати процес на ПЕОМ.
За умови зменшення енергоємності процесу, визначено максимальний центральний кут (5) поперечного перерізу поверхні шляхом обмеження горизонтального поперечного стиску ґрунтової скиби і забезпечення умов її прохідності поверхнею dVп=dHс.
При цьому, згідно до рис. 5.:
dVп=dN·cosц+dS·sinц,
dHc=dN·sinц–dS·cosц; . (5)
Рис. 5.Розрахункова схема зусиль у поперечному перерізі
За умови (5) отримано максимальну ширину поверхні L (6), яка забезпечує сприятливі умови розпушення ґрунту і є пропорційною радіусу кінцевого поперечного перерізу. На основі проведеного силового аналізу визначено незначний вплив зусилля S.
L=Rкp/2. (6)
Оптимізація довжини поверхні сприяє додатковому зниженню енергоємності процесу розпушення забезпеченням докритичних швидкостей деформації ґрунту. Критерієм оптимізації виступали енерговитрати Wд на деформацію ґрунтової скиби (7):
Wд=Pд·Vагр=Pд·a·Vд/(еpL); (7)
де Рд – горизонтальна складова від узагальненого зусилля деформації.
Так, як бажаним і необхідним є Wд>min при а·Vд>min, то оптимізація проводилася з умови екстремуму (8) (методом Ферма):
. (8)
Довжина поверхні знаходиться за виразом (9), який є результатом проведеної оптимізації:
, (9)
де t1с=1 с – додатковий коефіцієнт виразу (9) необхідний для коректного застосування вибраного методу.
Згідно (9) збільшення швидкості руху агрегату та ширини поверхні зумовлює необхідність подовження ґрунторозпушувальної поверхні. Для підорних шарів ґрунту, при однаковій ширині поверхні, вони є дещо коротші, ніж для орного шару.
Керуючись виразами (2), (6) та (9), рекомендовані значення основних параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь мають наступний вигляд (табл.1.):
Таблиця 1
Рекомендовані значення основних параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь
Ґрунтовий шар | Кінцевий радіус, Rк, м | Максимальна ширина, L, м | Мінімальна довжина, а, м
Vагр=1,5 м/с | Vагр=2,5 м/с | Орний (<0,024 м) | 0,13-0,21 | 0,20-0,33 | 0,11-0,16 | 0,14-0,20 | Підорний (>0,024 м) | 0,25-0,41 | 0,39-0,61 | 0,13-0,15 | 0,17-0,20
Схема просторового розміщення ґрунторозпушувальних поверхонь прийнята ярусною, що дає можливість зменшити загальний тяговий опір (до 30%) і врахувати різні ґрунтові умови в орних та підорних шарах. Завдяки ярусному розміщенню зекономлену енергію можна використати для покращення якісних показників розпушення.
При обґрунтуванні величини вертикального рознесення ґрунторозпу-шувальних поверхонь основою є рекомендовані дані глибин обробітку ґрунту та повнота забезпечення руйнівних напружень по всій висоті перерізу ґрунтової скиби (10). Перевірочною є товщина, яка враховує наявність ґрунтових пор еп і деяке зменшення, внаслідок цього, початкового об’єму ґрунту V0 (11).
. (10)
, (11)
де S(х) – площа поточного поперечного перерізу ґрунтової скиби.
За умовою (10) рекомендована товщина шару на один ярус для забезпечення якісного розпушення становить (при р=25-30): для верхніх орних шарів – h=0,15-0,18 м; для підорних шарів h=0,07-0,11 м.
Горизонтальне рознесення базується на принципі вільного проходження ґрунту між ярусами без підпирання верхнього ярусу нижнім (dmin) (13) та уникнення контакту ґрунту в зоні активного подрібнення (dmax) (12), d[dmin; dmax] (рис.6.).
Рис. 6. Розміщення ґрунторозпушувальних поверхонь в площині руху
. (12)
, (13)
де ;
– кут зовнішнього тертя; гр – кут внутрішнього тертя ґрунту; 2 – кут сколу ґрунту у нижньому ярусі; h2 – товщина стружки нижнього ярусу; q – коефіцієнт об’ємного зминання ґрунту; Сq – коефіцієнт, який враховує зміну опору об’ємного зминання ґрунту при зміні швидкості.
При визначенні dmin враховується шлях і зусилля зминання ґрунту ле-мешем нижнього ярусу до утворення поверхні сколу за лемешем верхнього ярусу. Для розгляду граничного стану використовується метод В.В.Соколов-ського та теорія Кулона-Мора у вигляді: max{||–(С+грtgгр}=0.
Забезпечення стабільності ходу, уникнення самозаглиблення робочого органа глибокорозпушувача, необхідність компенсації виникаючих з боку ґрунту реакцій, обґрунтувало встановлення на рамі опорного колеса.
Кількість ґрунторозпушувальних поверхонь у кожному ярусі та загальна визначається глибиною обробітку, шириною захвату, ґрунтовими умовами та тяговим зусилля тягача глибокорозпушувача.
Сумарний тяговий опір переміщення однієї ґрунторозпушувальної поверхні РТ визначається за виразом (14), який було визначено інтегруванням рівнянь силової взаємодії з використанням лінійної інтерполяції та методу найменших квадратів.
. (14)
За результатами проведених розрахунків максимальний тяговий опір однієї ґрунторозпушувальної поверхні при Rк=0,2 м; а=0,35 м; ?р=15°; k=45 кПа; г=17,5 кН/м3; Vагр=2,2 м/с для важких суглинистих ґрунтів складає менше 3,5 кН.
На основі виразів (10), (12), (13) визначені підсумкові рекомендовані значення основних параметрів просторового рознесення ґрунторозпушувальних поверхонь в площині руху (табл.2.).
Таблиця 2
Рекомендовані значення основних параметрів просторового рознесення ґрунторозпушувальних поверхонь
Ґрунтовий шар | Кут різання,
р, град. | Вертикальне зміщення, h, м | Горизонтальне зміщення, d, м | Vагр=1,5 м/с | Vагр=2,5 м/с | Орний (<0,024 м) | 25-30 | 0,15-0,18–– | Підорний (>0,024 м) | 25-30 | 0,07-0,11 | 0,11-0,14 | 0,11-0,33 | У третьому розділі “Програма та методика експериментальних досліджень” викладено програму експериментальних досліджень, наведено методику їх проведення, дано перелік використаних стандартних приладів та обладнання, описані конструкція і принцип дії існуючих та створених автором експериментальних установок.
Дослідження проводилися з метою експериментальної перевірки встановлених теоретичних положень, зв’язку основних параметрів ґрунторозпушувальної поверхні з показниками стану ґрунту та якістю його розпушення, а також для оцінки ефективності роботи запропонованого глибокорозпушувача.
Щільність, вологість та гранулометричний склад ґрунтів визначали за загальноприйнятими методиками. Загальний опір переміщенню робочих органів під час лабораторних та польових досліджень визначався прямим вимірюванням. Відношення висоти зони розтягу до висоти зони стиску при згині ґрунтової скиби встановлювалося на спеціально виготовленому пристосуванні шляхом прямого вимірювання довжини вертикальної тріщини на бічній поверхні скиби та співвідношенням її з залишковою висотою скиби. Дослідження характеристик розриву ґрунту здійснювалися на базі стандартизованого приладу – пластометра, за відомою методикою осьового стиску з перерахунком показників стиску на показники розриву. Якість розпушення оцінювалася коефіцієнтами розпушення, кришіння та структурності. Ефективність роботи глибокорозпушувача визначалася питомими якісно-кількісними показниками.
У всіх випадках повторність дослідів становила 3-4 рази, а отримані результати опрацьовувалися методами математичної статистики. Лабораторні дослідження проводилися відповідно математичному методу планування двофакторного експерименту типу 22. Регульованими параметрами були щільність та вологість ґрунту. Досліди проводилися для легкого суглинку, напівтвердого супіску та для легкого суглинку з добавкою гумусу.
Експериментальні дослідження процесу розпушення ґрунту ґрунторозпушувальною поверхнею здійснювалися на ґрунтовому каналі кафедри будівельних, дорожніх, меліоративних машин та обладнання НУВГП з використанням цифрової відео- та фотозйомки.
Ґрунтовий канал містив однорідний насипний легкий суглинок вологістю 12...18% на глибину до 0,5 м. Щільність ґрунту змінювалась штучно у межах 1,4...1,8 г/см3, його категорія оцінювалась числом ударів ударника ДорНДІ (Суд = 3...4).
З метою експериментальної перевірки ефективності роботи розробле-ного глибокорозпушувача було виготовлено два його дослідних зразки з різними конструктивно-технологічними параметрами (рис. 7.).
Польові випробування ярусних глибокорозпушувачів проводилися згідно ОСТ .4.1-80 на дослідному полігоні Центру навчально-виробничої під-готовки студентів НУВГП і на староорних землях ПСП “Мирне” Костопіль-ського району Рівненської області, та ПСП “Людмила” Острозького району Рівненської області. Характеристики ґрунтових умов наведені в табл. 3.
а) – з опорним колесом; б) – без опорного колеса
Рис. 7. Дослідні зразки глибокорозпушувачів
Таблиця 3
Характеристики ґрунтових умов польових випробувань
№ | Місце проведення | Тип ґрунту |
Суд | Горизонти ґрунту, м | 0...0,1 | 0,1...0,2 | 0,2...0,3 | 0,3...0,4 | W, % | r, г/см3 | W, % | r, г/см3 | W, % | r, г/см3 | W, % | r, г/см3 | 1 | ЦНВПС НУВГП | супісок напівтвердий | 3-8 | 19,8 | 1,50 | 21,8 | 1,58 | 23,3 | 1,72 | 24,5 | 1,80 | 2 | ПСП “Мирне” | супісок легкий | 3-6 | 11,9 | 1,41 | 12,9 | 1,44 | 14,2 | 1,46 | 15,1 | 1,48 | 3 | ПСП “Людмила” | суглинок легкий | 4-7 | 14,2 | 1,43 | 16,4 | 1,48 | 17,5 | 1,51 | 18,3 | 1,56
У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень“ наведені результати експериментальних досліджень: закономірностей механізму подрібнення ґрунтової скиби двоплощинним згином, впливу вологості та щільності ґрунту на параметри згину ґрунтової скиби, вплив товщини ґрунтової скиби та кінцевого радіуса ґрунторозпушувальної поверхні, як головних визначальних параметрів робочого органа, на тяговий опір та на якість розпу-шення ґрунту.
Аналізом відзнятого відеоматеріалу механізму подрібнення ґрунтової скиби при її згині підтверджено достовірність теоретичної залежності зміни висоти поступово подрібнюваних нижніх шарів ґрунтової скиби (1).
За результатами лабораторних досліджень (табл. ) було отримано регресійні залежності, за якими тяговий опір ґрунторозпушувальної поверхні пропорційно зростає зі збільшенням товщини ґрунтового шару та зменшенням її кінцевого радіусу. Результати експериментів адекватні теоретичним досліджен-ням.
При вивченні впливу вологості та щільності ґрунту на згин ґрунтової скиби та на відносну деформацію розриву, було встановлено, що відношення висоти зони розтягу до висоти зони стиску kh, в умовах експерименту, залежить, в основному, лише від вологості ґрунту. Підтверджено руйнування структури зразка на кінці зони пропорційних деформацій, а також відмічено значне збільшення міцності гумусного зразка в порівнянні з мінеральними.
Таблиця 4
Результати лабораторних досліджень
№ | легкий суглинок | напівтвердий супісок | легкий суглинок+гумус
Дослідження відношення зони розтягу до зони стиску при згині
W, % | с, г/см3 | kh | W, % | с, г/см3 | kh | W, % | с, г/см3 | kh
1 | 6,8 | 1,50 | 4,03 | 16,0 | 1,59 | 1,87 | 26,0 | 1,59 | 3,91
2 | 6,8 | 1,62 | 4,85 | 16,0 | 1,71 | 3,17 | 26,0 | 1,71 | 2,68
3 | 15,2 | 1,50 | 3,86 | 26,0 | 1,59 | 3,86 | 34,0 | 1,59 | 1,59
4 | 15,2 | 1,62 | 3,02 | 26,0 | 1,71 | 3,80 | 34,0 | 1,71 | 2,15
kh= 5,246 – 0,119·W% | kh= 0,433 + 0,131·W% | 7,925 – 0,178·W%
Дослідження відносної деформації розриву
W, % | с, г/см3 | еp | W, % | с, г/см3 | еp | W, % | с, г/см3 | еp
1 | 9,56 | 1,40 | 0,83 | 6,9 | 1,46 | 0,77 | 26,40 | 1,27 | 2,71
2 | 9,56 | 1,66 | 0,68 | 6,9 | 1,70 | 0,38 | 26,40 | 1,53 | 3,24
3 | 17,25 | 1,40 | 0,67 | 10,3 | 1,46 | 0,57 | 38,40 | 1,27 | 2,06
4 | 17,25 | 1,66 | 0,98 | 10,3 | 1,70 | 0,82 | 38,40 | 1,53 | 4,27
ер %= 0,788 | ер %= 0,633 | еp %= –4,306 + 5,269·сг/см3
Дослідження параметрів ґрунторозпушувальної поверхні
h, м | Rк, м | РТ, кН––––––
1 | 0,05 | 0,15 | 0,39––––––
2 | 0,05 | 0,25 | 0,29––––––
3 | 0,15 | 0,15 | 1,75––––––
4 | 0,15 | 0,25 | 1,37 | РТ (кН) = 0,218+12,167·h (м) – 2,433·Rк (м)
Порівнянням величини питомого тягового опору, створюваного поверхнею-прототипом та запропонованою, на легкому суглинку, доведено ефективність застосування розробленої ґрунторозпушувальної поверхні. Параметри поверхонь відповідали рекомендованим і становили, відповідно: h=0,15 м; Rк=0,16 м; а=0,45 м; L=0,4 м; ?р=25° та h=0,15 м; Rк=0,25 м; а=0,34 м; L=0,4 м; ?р=25°. Зменшення загального тягового зусилля запропонованої поверхні склало в середньому 17,3%, що пояснюється виключенням енергоємних видів деформацій ґрунтової скиби на поверхні.
Результати лабораторних (табл. ) та польових (табл. ) досліджень підтвердили визначальний вплив на якість розпушення ґрунту радіуса кінцевого перерізу поверхні. При його зменшенні спостерігається збільшення кількості дрібних частинок, що збільшує ступінь подрібнення ґрунтової скиби.
Під час досліджень, проведених на суглинистих та супіщаних ґрунтах, максимальна розбіжність теоретичних та експериментальних даних за коефіцієнтом структурності не перевищує 5,4-15,9%, за тяговими показниками – 8-16%.
Таблиця 5
Результати лабораторних досліджень показників розпушення
№ | Досліджувані параметри | Кількість агрегатів, шт. | Кстр | Кр, % | РТ, кНрТ, кН/м2
величина поперечника, мм
h, м | Rк, м | 0,25 – 7 | <0,25 + >7
1 | 0,15 | 0,15 | 67 | 55 | 1,22 | 98,4 | 1,75 | 36,46
3 | 0,10 | 0,20 | 60 | 54 | 1,11 | 97,8 | 0,95 | 29,69
2 | 0,15 | 0,25 | 46 | 45 | 1,02 | 99,1 | 1,37 | 28,54
Таблиця 6
Результати польових досліджень показників розпушення
№ | Варіант виконання | Вологість ґрунту, W, % | Кстр | Кр, % | рТ, кН/м2 | h, м
1 | без колеса | 35-40 | 0,74 | 88,1 | 46,7 | 63,1 | 0,04
2 | без колеса | 20-25 | 0,64 | 93,0 | 44,2 | 69,1 | 0,05
3 | з колесом | 8-12 | 0,82 | 98,0 | 43,7 | 53,3 | 0,02
4 | прототип | 8-12 | 0,74 | 96,0 | 53,3 | 72,0 | 0,05
5 | ПЛН-4-35 | 12-15 | 0,72 | 81,0 | 59,5 | 82,6 | 0,01
Для більш об’єктивної оцінки ефективності роботи глибокорозпушувача введено відносний показник рТ/Кстр, який відображає питому тягу, яка необхідна для утворення агрегатів 0,25-7 мм площею поперечного перерізу 0,5 м2.
За даним показником (табл. ) ефективність розробленого глибоко-розпушувача в порівнянні з безвідвальним робочим органом є вищою на 20,8%; з відвальним – на 30,9%. За показником відхилення глибини обробітку від заданої (h, табл. ), встановлення опорного колеса в два рази покращило стабільність витримування глибини обробки в порівнянні з варіантом без колеса.
У п’ятому розділі “Методика інженерного розрахунку та порівняльні техніко-економічні показники” наведена апробована у виробничих умовах методика інженерного розрахунку ярусного глибокорозпушувача та дана економічна оцінка ефективності його застосування. Вихідними даними є вологість, щільність та тип ґрунту, задана величина поперечника структурного агрегату, співвідношення зони розтягу та зони стиску при згині та гранична відносна деформація розриву ґрунту. Розрахунок параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь проводиться за формулами (2), (4), (6), (9), а їх рознесення при ярусному компонуванні за формулами (10), (12) та (13).
Розроблено методику проектування наближених, простіших для виготовлення, ґрунторозпушувальних поверхонь, яка базується на загальновідомих розгортних лінійчатих формах (рис. 6.). Максимальне відхилення форми розробленої поверхні від лінійчатості становить 2,6%. Порівняння поверхонь побудованих на основі відомих розгортних лінійчастих форм з розрахунковою, при Rк=0,18 м, а=0,4 м, L=0,3 м, показало найбільшу близькість конусно-площинної. Максимальна геометрична розбіжність становить 6,4%.
а) – косоконусна; б) – прямоконусна; в) – конусно-площинна; г) – циліндрично-площинна.
Рис. 8. Побудова ґрунторозпушувальних поверхонь
Параметричні рівняння наближених ґрунторозпушувальних поверхонь:–
косоконусна:
y=R(x)sin(l/R(x)); z=R(x)(1–cos(l/R(x))); R(x)=Rп–(Rп–Rк)x/a; Rп=(3,5...4)Rк; (15)–
прямоконусна:
при l=lпл y=l; z=0; при l>lпл: y=R(x)sin(l/R(x)); z=Rк–R(x)cos(l/R(x))); де lпл – частина дуги поперечного перерізу, від площини симетрії, яка належить денній поверхні:
; R(x)=Rп–(Rп–Rк)x/a; ; (16)
конусно-площинна:
при l=lпл y=l; z=0; при l>lпл: y=lпл+R(x)sin[(l–lпл)/R(x)]; z=R(x)(1-cos[(l–lпл)/R(x)]) де R(x)=Rкx/a; lпл=(1–x/a)L/2; (17)
циліндрично-площинна:
при l=lпл: y=l; z=0; при l>lпл: y=lпл+R(x)sin[(l–lпл)/R(x)]; z=R(x)(1-cos[(l–lпл)/R(x)]; де R(х)=Rк, lпл=(1–x/a)L/2 . (18)
Визначено економічний ефект на основі порівняльного розрахунку питомих енерговитрат. Порівняння глибокорозпушувачів з розробленими та відомими раніше ґрунторозпушувальними поверхнями, за енергетичними показниками, показало більшу ефективність перших на 17,3%.
висновки
1. Робота присвячена вирішенню задачі підвищення ефективності глибокого розпушення ґрунту шляхом створення нового ярусного робочого органа глибокорозпушувача з обґрунтуванням його конструктивно-технологічних параметрів на основі врахування фізико-механічних характери-тик ґрунту в орному та підорних шарах.
2. Аналіз чинних способів і засобів глибокого розпушення ґрунту показав неповну їх відповідність сучасним агротехнічним вимогам до якості виконання процесу та його диференціації за глибиною обробітку.
3. Ґрунтуючись на попередніх дослідженнях, встановлено, що перспективним напрямом усунення вказаних недоліків є створення нового, ярусно-адаптованого до ґрунтових умов робочого органа, основним принципом роботи якого є згин ґрунтової скиби.
4. На основі методів оптимізації та математичного моделювання, теоре-тично обґрунтовано аналітичні залежності для визначення форми (4) та параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь: кінцевого радіуса (2), ширини (6), довжини (9) та їх рознесення в напрямі руху машини: вертикального (10) та горизонтального (12, 13) взаємного зміщення різальних кромок, кута встановлення поверхні до дна борозни, які дають змогу визначити раціональні значення цих параметрів (табл. , ), диференційованих за глибиною обробітку.
5. Експериментальна перевірка аналітичної залежності (1) між величиною подрібнення ґрунтової скиби при її згині та фізико-механічними характеристиками ґрунту підтвердила адекватність обґрунтування основних параметрів запропонованого робочого органа глибокорозпушувача.
6. Отримані регресійні залежності впливу вологості та щільності на співвідношення зони розтягу до зони стиску (kh=1,6...4,9) (табл. 4) і на деформацію розриву для легкого суглинку (ер=0,5-1,0%), напівтвердого супіску (ер=0,3-1,0%) та легкого суглинку з добавкою гумусу (ер=2,1-4,2%) дозволяють отримати вихідні дані для розрахунку раціональних параметрів ґрунторозпу-шувальних поверхонь та всього робочого органа в цілому.
7. Експериментальними дослідженнями впливу фізико-механічних по-казників ґрунту та конструктивних параметрів ґрунторозпушувальних поверхонь на якість розпушення ґрунту підтверджено обернену залежність між ступенем подрібнення ґрунту та кінцевим радіусом і глибиною обробітку (табл. ) з розбіжністю теоретичних та експериментальних даних 5-16%.
8. Для практичного здійснення поставленої мети, на основі проведених досліджень, розроблена інженерна методика проектування ярусних глибокорозпушувачів, яка дала змогу запроектувати і виготовити на ВАТ ”Рівнесільмаш” два дослідних зразки з ?- та V-подібною конструкцією рами робочого органа.
9. Роботоздатність створеного глибокорозпушувача доведена успішними випробуваннями його експериментальних зразків на дослідному полігоні НУВГП, землях ПСП “Людмила” Острозького району та ПСП “Мирне” Костопільського району Рівненської області, при яких отримали показники розпушення ґрунту відповідно до агротехнічних вимог.
10. Порівняння техніко-економічних показників розробленого глибокорозпушувача з найбільш близьким конструктивно ярусним безвідваль-ним робочим органом та найбільш поширеним серійним відвальним знаряддям показало більшу його ефективність, відповідно: за показниками якості розпушення – 2,1% і 21,0%; за питомим тяговим опором – 18,0% і 26,6%; за відносними кількісно-якісними показниками – 20,8% і 30,9%. У порівнянні з найбільш конструктивно близьким безвідвальним ярусним робочим органом економічна ефективність за витратою паливних матеріалів становить 17,3%.
Основний зміст роботи викладений у таких публікаціях:
1. Кравець С.В., Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П. Силова взаємодія поверхні кришильного ковша з розроблювальним ґрунтом. Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць, Рівне, 2002. вип. 5. (18), С. 22-29. (автором розроблена схема силової взаємодії, проаналізовано характер зміни її зусиль).
2. Лук’янчук О.П. Експериментальні дослідження ґрунтової балки на згин. Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць, Рівне, 2003. вип. 2. (21), С. 151-156.
3. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П. Вибір раціональної поверхні розпушувального ковша. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Збірник наукових праць, Рівне, 2002. вип. 27. С. 271-277. (автором запропоновані варіанти ґрунто-розпушувальних поверхонь, проведена їх якісна оцінка).
4. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П. Можливі технологічні поверхні кришильних ковшів багатоярусного розпушувача. Вісник РДТУ. Збірник наукових праць, Рівне, 2002. вип. 3. (16), С. 204-210. (автором розглянуті можливі форми ґрунторозпушувальних поверхонь та описано їх математичні моделі).
5. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П. Перспективний багатоярусний агромеліоративний розпушувач. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Збірник наукових праць, Рівне, 2003. вип. 28. С. 138-143. (автором проаналізовані результати застосування розроблених ґрунторозпу-шувальних поверхонь при польових випробуваннях).
6. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П., Ткачук І.В. Математична модель ґрунторозробної поверхні робочого органу багатоярусного укладача-розпушувача. Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць, Рівне, 2003. вип. 6. (19), С. 256-261. (автором виведена математична модель ґрунторозпушу-вальної поверхні укладача-розпушувача).
7. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П., Хижнюк О.В., Степанюк А.А. Експериментальне визначення граничних деформацій ґрунтових зразків при розкришуванні від розриву. Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць, Рівне, 2003. вип. 4. (23), С. 215-222. (автором проведено досліди та здійснена обробка експериментальних даних).
8. Ткачук В.Ф., Лук’янчук О.П. Обґрунтування параметрів ґрунторозробних поверхонь багатоярусних розпушувачів. Науковий вісник Національного аграрного університету, – К.: НАУ, 2005. вип. 80., Ч.1. С. 114-121. (автором виведена математична модель ґрунторозпушувальної поверхні ярусного глибокорозпушувача).
Анотації
Лук’янчук О.П. Обґрунтування конструктивно-технологічних пара-метрів ярусного глибокорозпушувача. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Львівський державний аграрний університет, Львів, 2005.
Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності глибокого розпушення ґрунту на основі створення нового ярусного робочого органа глибокорозпушувача з обґрунтуванням його конструктивно-технологічних параметрів на підставі врахування фізико-механічних характеристик ґрунту в орному та підорних шарах.
Проведений аналіз наявних способів і засобів розпушення ґрунту, визна-чено недоліки та напрямки їх усунення.
Обґрунтовано форму та параметри ґрунторозпушувальних поверхонь в орному та підорних шарах і їх просторове розміщення в площині руху ярусного глибокорозпушувача.
Викладено програму і методику експериментальних досліджень, наве-дено конструкцію і принцип дії лабораторних установок.
На основі результатів експериментальних досліджень визначено вплив фізико-механічних характеристик ґрунту на параметри поверхонь та встанов-лено вагомість впливу конструктивно-технологічних параметрів поверхонь на показники розпушення ґрунту.
Приведена апробована у виробничих умовах методика інженерного розрахунку ярусного глибокорозпушувача та розраховано економічну ефектив-ність його застосування.
Ключові слова: глибоке ярусне розпушення, якість розпушення, фізико-механічні характеристики ґрунту, ґрунторозпушувальна поверхня, енерго-витрати.
Лукьянчук А.П. Обоснование конструктивно-технологических пара-метров ярусных глубокорыхлителей. – Рукопись.
Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельско-хозяйственного производства. – Львовский государственный аграрный универ-ситет, Львов, 2005.
Диссертационная работа посвящена повышению эффективности процесса ярусного разрыхления почвы на основании создания нового ярусного рабочего органа глубокорыхлителя с обоснованием его конструктивно-технологических параметров при учете физико-механических характеристик почвы в пахотном и подпахотных слоях.
Проанализировано проведение глубокого разрыхления на старопахотних сельскохозяйственных землях западного региона Украины. Проведен анализ конструкций и принципов работы существующих разрыхлителей с точки зрения снижения энергоемкости и улучшения качества разрыхления. Выделены основные недостатки, намеченные способы их устранения, определена необходимость создания нового более эффективного ярусного глубоко-рыхлителя. В результате анализа способов разрыхления почвы с точки зрения энергоемкости и управляемости качеством разрыхления, установлен наиболее приемлемый способ разрыхления почвы изгибом.
Теоретические исследования основывались на общих положениях земледельческой механики с использованием теории прочности Кулона-Мора. Исходя из геометрического и кинематично-динамического анализа изгиба почвенного пласта, разных почвенных условий в пахотном и подпахотных горизонтах, теоретически обосновано форму и параметры почворазрыхляющих поверхностей. Усовершенствованы научно-методические основы обоснования пространственного размещения почворазрыхляющих поверхностей ярусного глубокорыхлителя исходя из необходимости уменьшения общего тягового сопротивления, разных условий разрыхления почвы в пахотном и подпахотных горизонтах, обеспечение полноты зоны разрыхления.
Изложена программа экспериментальных исследований, приведена методика их проведения, составлен список использованных стандартных приборов и оснащения, приведена конструкция и принцип действия лабора-торных установок для определения соотношения зоны растяжения к зоне сжатия при изгибе почвенного пласта и предельной относительной деформации разрыва почвы.
Исследование проводились с целью экспериментальной проверки установленных теоретических положений связи основных параметров почворазрыхляющей поверхности с показателями состояния почвы и качеством ее разрыхления, а также для оценки эффективности работы предложенного глубокорыхлителя.
По результатам экспериментальных исследований показателей раз-рыхления, определено влияние физико-механических характеристик почвы на конструктивные параметры почворазрыхляющих поверхностей, установлена весомость влияния параметров процесса разрыхления почвы на его количественные и качественные показатели.
Разработано и апробировано в производственных условиях методику инженерного расчета ярусного глубокорыхлителя
