Тернопільський державний технічний університет
Тернопільський державний технічний університет
ім. Івана Пулюя
Сичук Людмила Василівна
УДК 631.313. 3
ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗНАРЯДДЯ ДЛЯ ВИДАЛЕННЯ БУР'ЯНІВ НА ПЛАНТАЦІЯХ ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ
05.05.11 – машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Тернопіль – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Волинському інституті агропромислового виробництва Української академії аграрних наук
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Хелемендик Микола Михайлович,
професор кафедри сільськогосподарського машинобудування
Луцького Державного технічного університету.
Офіційні опоненти: Заслужений винахідник України
доктор технічних наук, професор
Гевко Богдан Матвійович,
Тернопільський державний технічний університет
імені Івана Пулюя,
завідувач кафедри технології машинобудування;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Завгородній Анатолій Федорович
Українська академія аграрних наук
Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут
механізації та електрифікації сільського
господарства” Української академії аграрних
наук, смт. Глеваха Васильківського району Київської області.
Захист відбудеться “28”вересня2005 р. о 11годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за
адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Гоголя 8, навчальний корпус К 8, ауд.12.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного
технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56,
навчальний корпус 2, ауд. 56.
Автореферат розісланий “_25 ”_серпня2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент |
Попович П.В.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. У технології буряківництва суттєвого вдосконалення потребує система раннього догляду за сходами з метою створення оптимальних умов для отримання високої продуктивності буряків і боротьби з бур’янами на базі істотного зниження пестицидного навантаження. На операціях раннього догляду замість хімічних препаратів повинні прийти ефективні механізми боротьби з бур’янами. А їх якраз і немає. Отже, розробка робочого органа, який би розпушував грунт, видаляв бур’яни, не пошкоджуючи або пошкоджуючи незначну, заздалегідь передбачену кількість сходів культурних рослин, є завданням, що має велике народногосподарське значення, а відтак є актуальним.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження, що складають основу дисертаційної роботи, виконані у Волинському інституті агропромислового виробництва УААН та Луцькому державному технічному університеті МОН України в 1996-2003 рр. відповідно до науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Волинської державної сільськогосподарської дослідної станції (пізніше Волинський інститут АПВ) у складі завдань цільових комплексних програм, до яких відноситься науково-технічна програма “Цукрові буряки”, номер держреєстрації 0102V002503.
Мета й задачі досліджень. Мета роботи – підвищення ефективності вирощування цукрових буряків за рахунок створення і освоєння знаряддя і технології вибіркового механічного видалення бур’янів при мінімальному пошкодженні культурних рослин.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- провести аналіз технологій та існуючого обладнання для видалення
бур’янів при поверхневому обробітку ґрунту після появи сходів;
- обґрунтувати серед існуючих механізмів і технологій технічне рішення пружинного зуба та ланцюгового робочого органа як самих
оптимальних на сьгодні;
- обґрунтувати конструкцію зуба для видалення бур’янів;
- скласти диференціальне рівняння пружної лінії зуба і визначити
переміщення кінця зуба у ґрунті;
- обґрунтувати параметри пружинного зуба та ланцюгового робочого органа;
- розробити модель процесу вибіркового видалення сходів рослин;
- встановити закономірності функціонування ланцюгового робочого
органа при видаленні бур’янів;
- провести комплекс експериментальних досліджень для уточнення
теоретичних залежностей та скласти рівняння регресії процесу
вибіркового видалення сходів рослин;
- визначити технічну та економічну ефективність ланцюгового робочого органа на обробітку сходів цукрових буряків;
- розробити інженерну методику проектування машини з ланцюговими
робочими органами й пропозиції передати на завод
сільгоспмашинобудування
Об’єкт досліджень – процес вибіркового видалення сходів рослин при обробітку ґрунту знаряддям після появи сходів цукрових буряків.
Предмет дослідження – пружинні зуби ланцюгового робочого органа, які здійснюють плоскопаралельний рух.
Методи дослідження – теоретичні дослідження проведені із застосуванням методів механіко-математичного моделювання, класичної механіки, опору матеріалів, числового розв’язку задач із використанням ЕОМ. Аналіз математичних моделей здійснювався на ЕОМ за допомогою розроблених програм. Розрахунок конструкції пружинного зуба виконано методом кінцевих елементів. Експериментальні дослідження проводилися за галузевими (РД-10.4.2-89, ОСТ 70.4.3.-74 РД10.4.3-89) та розробленими методами на спеціально спроектованих та виготовлених установках та приладах. При проведенні експериментальних досліджень застосовувались математичні методи планування експерименту.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що: розвинуті наукові основи процесу механічного вибіркового видалення сходів рослин при обробітку ґрунту на посівах буряків; використана з науковою і практичною метою модель процесу вибіркового видалення сходів; складене диференціальне рівняння пружної лінії зуба; встановлено жорсткість зуба, яка розрахована на основі методів кінцевих елементів (МКЕ); розрахована конструкція пружинного зуба; вперше виведені аналітичні залежності для визначення конструктивних і кінематичних параметрів ланцюгового робочого органа з пружинними зубами; експериментально встановлено вплив параметрів посіву цукрових буряків на здійснення процесу вибіркового видалення сходів бур’янів.
Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що: за результатами досліджень запропонований новий клас ґрунтообробних знарядь, наділених механічною здатністю вибіркового видалення сходів рослин; з 2001 р. на Кам’янець-Подільському ЗАТ “Нива” виготовляють борони пружинні легкі БПЛ-7 та БПЛ-9 і борони -культиватори БПЛ-7БК, БПЛ-9БК [патент України 46080], співавтором якого є автор цієї дисертації. У 2004 р. тут же розпочата підготовка до виготовлення машини з ланцюговими робочими органами для поверхневого обробітку ґрунту на посівах цукрових буряків та інших просапних культур; визначені раціональні параметри ланцюгового робочого органа з пружинними зубами; розроблена програма для реалізації на ЕОМ математичної моделі процесу переміщення пружинного зуба у ґрунті, що дає можливість проводити кінематичний аналіз механізму; за результатами багатофакторного експерименту виведені регресійні залежності, які дозволяють оцінювати вплив параметрів ланцюгового робочого органа на ефективність його функціонування, розроблений інженерний метод проектування.
Особистий внесок здобувача. Участь у розробці наукових основ процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин [2,4]. У теоретичних дослідженнях складене диференціальне рівняння пружної лінії зуба; обґрунтовано технічне рішення пружинного зуба; виведені аналітичні залежності для визначення конструктивних і кінематичних параметрів ланцюгового робочого органа з пружинними зубами [5]. Експериментальні дослідження, методика виконання та обробка їхніх результатів здобувачем проведені самостійно [1,3]. У двох технічних рішеннях, які розроблені на рівні винаходів, частка кожного автора є рівноцінною [7,8]. В опублікованих спільних статтях частка здобувача становить близько 65 %.
Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень обговорювались на науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (2001-2002 рр.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Механізація сільськогосподарського виробництва,” присвяченій 100-річчю з дня заснування Національного аграрного університету (м. Київ, 1998 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Механізація сільськогосподарського виробництва”, присвяченій 100-річчю з дня народження академіка П.М. Василенка (м. Київ, 2000 р.), на ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Мотрол-2001” (Польща, м. Люблін, 2001 р.). Дисертаційна робота була заслухана на засіданні кафедри сільськогосподарського машинобудування ЛДТУ (м. Луцьк, 2004 р.) та на засіданні вченої ради Волинського інституту агропромислового виробництва УААН (смт. Рокині, 2004р).
Публікації. Основні положення й результати досліджень за темою дисертації опубліковано у 8 статтях у фахових виданнях, із них дві одноосібно. Технічна новизна розробок підтверджена двома патентами України на винаходи 46080 та 50340А.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 131 назви та
додатків. Основна частина викладена на 139 сторінках, містить 36 рисунків і фотографій, 9 таблиць.
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова та практична цінність отриманих результатів досліджень. Подано загальну характеристику роботи.
У розділі першому розглянуто тенденції розвитку методів боротьби з бур’янами в посівах цукрових буряків і встановлено, що успіх тут забезпечує застосування раціональної системи, яка гармонійно включає агротехнічні, хімічні та механічні методи. Для значного підвищення ефективності механічних методів потрібні ефективні робочі органи, які здатні видаляти сходи бур’янів, що ростуть поруч із сходами цукрових буряків, не наносячи шкоди останнім. Якраз таких робочих органів у виробництві немає, а розробка їх тільки розпочинається в Україні, Данії, Німеччині, Новій Зеландії. Через це виникає необхідність у розробці принципово нових машин і робочих органів для механічної боротьби з бур’янами на посівах цукрових буряків, оптимізації їх параметрів та режимів роботи.
Головною характеристикою таких робочих органів повинна бути наявність в їхньому функціонуванні механічної вибірковості видалення сходів рослин. Досягнення такої характеристики можливе на базі подальшого розвитку наукових, технічних і агротехнічних основ процесів механічного розпізнавання рослин та їх селекції щодо бур’янів, що забезпечить знищення механічним методом бур’янів, які ростуть поруч із сходами цукрових буряків, без нанесення шкоди останнім.
Проаналізовано напрямки дослідження та конструювання робочих органів для боротьби з бур’янами механічним методом, викладені в наукових працях Глуховського В.С., Паламарчука В.І., Прокопенка Д.Д., Вілде А.А., Мерцедіна Р.Н., Бондарчука А.Д., Brautigam V., Vester J. та інших.
Про перші кроки дослідження процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин інформували Летошнєв М.М., Крижко В.М., Зиков П.Ю., Саганов М.І., Гриднєв Є., Хелемендик М.М.
Проведено огляд методик синтезу та оцінки критеріїв функціонування пружних систем, виходячи з наукових праць Тимошенка С. П., Писаренка Г.С. Пономарьова С.Д., Цурпала І.А., Погорілого Л.В., Гевка Б.М., Сулима Г.Т. та інших вчених.
Обґрунтовано узагальнюючий критерій оцінки функціонування пружинного зуба на обробітку посівів цукрових буряків – коефіцієнт механічної вибірковості видалення сходів рослин. На підставі викладеного поставлено мету та задачі дисертаційної роботи.
У розділі другому теоретично підтверджена об’єктивна технічна і технологічна можливість реалізації процесу вибіркового видалення сходів рослин.
Був застосований апробований числовий метод кінцевих елементів (МКЕ). По-перше, цей метод дозволяє максимально наближено апроксимувати геометричну форму системи зуб – пружина; по-друге, коректно враховувати механічні та геометричні характеристики; по-третє, зручно реалізується на ЕОМ. Що стосується похибок, притаманним числовим методам, то їх зручно оцінити, виконавши порівняння з результатами експериментальних досліджень. До того ж, підвищити точність числових розрахунків можна, збільшуючи кількість кінцевих елементів.
Тестування пружинного зуба проведено експериментально. При проведенні експериментальних досліджень до нижньої точки системи прикладали згинальне зусилля в напрямку осей Х1, Х3, а також у протилежному напрямку. Переміщення крайньої точки зуба вимірювалось індикатором годинникового типу, а згинальне зусилля фіксувалось динамометром.
При використанні МКЕ розрахунок виконувався згідно зі схемою (рис. 1).
Криволінійна частина системи апроксимувалася набором прямолінійних кінцевих елементів. Загалом у схемі використано 16 вузлів і 15 кінцевих елементів. З урахуванням граничних умов (вузол 16 жорстко закріплений) було отримано і розв’язано систему лінійних алгебраїчних рівнянь, що налічувала 90 рівнянь рівноваги.
Рис. 1. Розрахункова (за методом МКЕ) схема пружинного зуба
Вектор переміщення кінцевого елемента у глобальній системі координат: '
(1) де , - лінійні переміщення вузла і в напрямку осей х1, x2, x3; -лінійні переміщення вузла j в напрямку осей х1, x2, x3; – кути поворотів поперечного перерізу стержня навколо осей х1, x2, x3 у вузлі і; - кути поворотів поперечного перерізу стержня навколо осей х1, x2, x3 y вузлі j.
Згідно з побудованою для нашої задачі реологічною моделлю ґрунту із сходами рослин, передбачається, що дія робочого органа призводить до утворення блоку ґрунту, обмеженого поверхнею ковзання, яка задовольняє рівняння міцності. Ця модель ґрунтується на таких допущеннях: ґрунт розглядається як суцільне однорідне ізотропне середовище; умова зсуву (руйнування) визначається теорією Кулона-Мора; сколотий блок ґрунту розглядається як абсолютно тверде тіло.
Згідно з запропонованою моделлю процесу вибіркового видалення сходів рослин, потрібно забезпечити таку умову: зсунути ґрунтовий блок (грудочку ґрунту) з корінцями бур’янів, обірвавши, таким чином, ці корінці, одночасно не зсувати грудочки ґрунту з корінцями буряків, тим самим не пошкоджуючи корінців буряків, а, отже, залишивши рослинку буряків не пошкодженою.
Використаємо запропоновану проф. Хелемендиком М.М. нерівність:
(kab +N + Q1 + Qб ) ‹ lc ‹ (kab +N + Q1 + Qp), (2)
де k –питомий опір зсуву; -глибина його обробітку; b-ширина захвату робочого органа; Q1-сила, необхідна для відривання і пересування певного об’єму ґрунту по ґрунту; Qб-сила опору розриву корінців бур’янів; Qp –сила опору розриву корінців сходів буряків; l-величина відхилення кінця зуба в напрямку, протилежному його руху, під дією сил опору ґрунту із сходами рослин; с-сумарна жорсткість поздовжнього згину зуба; N-сила нормального тиску; f-коефіцієнт внутрішнього тертя грунту.
Враховуючи теоретичні значення k=3, f1=0,4 та експериментально визначені у наших дослідах N=2H, Q=0,8Н,Qб=1Н, Qр=4Н, та підставивши їх у нерівність (1) необхідне для здійснення вибіркового видалення сходів зусилля дії зуба:
5Н < lс < 8Н.
Синтезовано ланцюговий робочий орган (ЛРО) (рис.2), який містить рухомий нескінченний ланцюг 3, приводну зірочку 2, напрямний 1 і натяжний 4 ролики, робочі елементи 5, копіювальне колесо 7, приводний вал , кожух 6. При переміщенні ЛРО вздовж рядка нескінченний ланцюг 3, обертаючись впоперек рядка, приводить в рух робочі елементи, які обробляють ґрунт. Швидкість руху робочих елементів 5 є рівнодіючою швидкостей агрегату та ланцюга.
Пружинний зуб виконаний у вигляді складеної з двох плавно з’єднаних між собою частин деталі, одна з частин якої являє собою стержень, а друга – пружину. Необхідність забезпечити динамічну стійкість пружини, бажання створити найкращі умови для простого і надійного кріплення її до несучої поверхні і при цьому одержати пружину з лінійною характеристикою у заданих межах функціонування призвели до вибору конічної витої пружини.
Рис.2. Принципова схема ланцюгового робочого органа
Вважаючи, що пружинний зуб є системою зуб – пружина, переміщення кінця цієї системи для кожної осі буде складатися, згідно з методом Мора, із суми деформацій самого стержня (власне зуба) і пружини від двох деформацій, а саме деформації згину (для стержня хззг і пружини хпзг) і кручення (для пружини хпкр). Тобто, для осі ОХ переміщення кінця зуба матиме вигляд:
ххх = хззг+ хпзг + хпкр
або l = хззг+ хпзг + хпкр. (3)
Визначаючи кожну складову формули (3), приймаємо, що стержень зуба закріплюється до пружини в точці А жорстко (рис.3), тоді згинальний момент в цій точці дорівнює:
М = Fx h1, (4)
де h1 – довжина стержня зуба;
Fx – сила навантаження на зуб.
Мірою згину зуба може служити кривина його пружної лінії, диференціальне рівняння якої має такий вигляд:
. (5)
Тут добуток модуля пружності Е, який характеризує механічні властивості матеріалу зуба, на момент інерції перерізу J, який характеризує форму та розміри перерізу, являє собою жорсткість при згині.
Двічі інтегруючи рівняння (5), як рівняння типу х'' = const, одержуємо:
(6)
Підставляючи значення С1 і С2 у рівняння (6), одержуємо рівняння пружної лінії зуба:
. (7)
Прогином стержня зуба називають абсцису пружної лінії у розглядуваному перерізі. Величину прогину зуба oззг на кінці його одержимо із рівняння (7) при y= h1 :
. (8)
Рис.3. Розрахункова схема пружинного зуба
У зв’язку з тим, що технічна література методу визначення переміщення кінця зуба під дією деформації згину пружини не наводить, скористаємося класичним методом визначення деформації пружини під дією навантажень стиску або розтягу пружини, прийнявши, що пружина під дією навантаження згину одним боком стискається, а протилежним – розтягується.
Тоді переміщення кінця зуба під дією деформації згину пружини визначаємо за формулою:
(9)
де С – індекс пружини, С = , а D2 = D – d; d - діаметр дроту пружини; k2 - коефіцієнт; n - кількість витків пружини; h - довжина зуба.
Переміщення кінця зуба під дією деформації кручення пружини визначаємо за формулою:
(10)
де G – модуль зсуву.
Прийнявши h1 = 0,12 м, п = 1,5, D2 = 0,032 м, Fx = 8 Н,
Е = 2,11 · 10-5МПа (ГОСТ 1050-74), J= П d4/ 64, d = 0,004 м,
і визначивши:
ххх = l = 0.0009 + 0.01513 + 0.00135 = 0.01738 м.
Порівняльний аналіз результатів досліджень показує, що дані експерименту і МКЕ добре узгоджуються, а загальна середня похибка складає 5,45%, що є прийнятним для інженерних розрахунків.
При дослідженні врахували складний характер деформування зуба, адже при зосередженому зусиллі вздовж осі Х1 переміщення вузлів відбувається у трьох напрямках: вздовж координатних осей Х1, Х2, Х3.
Це пояснюється несиметричністю системи в цілому, а також виникненням деформацій кручення. Такий деформативний стан робить пружинний зуб функціонально рухливішим в середовищі ґрунту, що сприяє кращому виконанню операцій і видалення сходів бур’янів і обминання перешкод, що чинять більший опір. Величину сумарного переміщення кінця зуба по осі Х можна визначити за формулою:
L = l = . (11)
За МКЕ одержали L = 0,01844.
Тоді жорсткість пружинного зуба буде становити:
С = = .
У розділі третьому наведено вибір і обґрунтування принципу дії, конструкції робочого органа та параметрів і режимів його роботи, а також виявлені та запропоновані фактори посилення механічної вибірковості в робочому органі.
Стержень зуба круглого перерізу працює у ґрунті як двогранний клин. Передня його площина, яку через малий діаметр стержня (4-5 мм) можна умовно прийняти за ребро mm' (рис. 4, а), розколює ґрунт, а площадки циліндричного стержня mm' n'n та mm' l'l, кожна з яких розташована під кутом до лінії руху зуба, розсовують ґрунт на боки, при цьому обриваючи корінці сходів бур’янів.
У площині поперечного перерізу борозни область деформування ґрунту буде зображена зоною f k d e. Ширина в1 зони (рис. 4) залежить від ширини в захвату зуба, глибини а встановлення його в грунті, нахилу (кута O2) площин сколювання fk і ed, що можна виразити формулою:
в1 =2а tg O2 + в або в1 =2а tg O2 +d. (12)
Рис. 4. Зуб круглого перерізу (а) та зона деформування ним ґрунту (б)
Необхідність мінімізації кількості видалених сходів культурних рослин призводить до вибору найменшого із можливих діаметра стержня зуба. Поряд з цим, враховуючи пружність корінців сходів цукрових буряків, приймаємо, що частина корінців, які потрапили в захват круглого зуба та розташовані по краях ширини захвату зуба, можуть відхилятися на величину допустимого їхнього прогину lпр.
Тоді ймовірність кількості видалених сходів культурних рослин (у процентах) можна визначити за формулою:
(13)
де d – діаметр зуба.
Так, при O = 350, в1 = 4 см, lпр.= 0,1 см кількість видалених сходів може бути: для d = 0,5 см, Кр = 7,5 %; для d = 0,4 см, Кр =5,4%; для d = 0,3 см, Кр = 2,6%.
Визначаємо діаметр дроту зуба з міркувань міцності витків пружини за формулою:
(14)
Визначивши за формулою (13) d = 0,16 см, встановлюємо, що такий діаметр дроту є мінімально допустимим за міцністю витків. Отже, вибір діаметра дроту, з якого виготовляють пружинний зуб, поряд з аналітичним потребує експериментального обґрунтування.
Абсолютну швидкість руху зуба Vз у ґрунті по сходах цукрових буряків приймаємо згідно з рекомендаціями Інституту цукрових буряків УААН, Vз = 1,2 м/сек. Янушкевич Б.Н. і Сакута П.П. запропонували оцінювати ефективність знарядь для поверхневого обробітку ґрунту комплексним показником, а саме - коефіцієнтом подовження шляху проходження робочих елементів у ґрунті, який визначають як відношення фактичної довжини шляху, пройденого зубом у ґрунті Sф, до довжини шляху, пройденого агрегатом за даний відрізок часу Sa : Япод.=. З рис. 5:Sф=.
Тоді Япод = . (15)
Приймаємо Япод.=1,2, а = 30-35о. Тоді Vп = Vз · cos , Vл = Vз · sin .
Отже, Vз = 1,5 м/с, Vп = 1,1 м/с, Vл = 0,66 м/с.
До факторів посилення у пружинного зуба ефекту вибірковості відноситься конструкція пружинного зуба, яка забезпечує стабільність пружних характеристик при прикладанні до робочої частини зуба навантажень у різних напрямках, обладнання кожної однорядної секції машини регулювальним колесом.
Рис. 5. Схема руху зуба ланцюгового робочого органа
У розділі четвертому викладена програма досліджень, проведених у реальних, польових умовах, показані прилади, обладнання, експериментальна установка, які використовувалися під час проведення дослідів. Програма комплексних експериментальних досліджень включала встановлення теоретично передбачуваних результатів взаємодії двох систем – природної „рослинка – корінець – ґрунт” і організованої технічної системи „пружина – стержень зуба”, спрямованих на суттєве підвищення ефективності механічного методу боротьби з бур’янами у посівах цукрових буряків.
Описані методики визначення: пружної характеристики пружинного зуба; впливу діаметра дроту пружинного зуба на якість його роботи; раціональної довжини зуба; залежність урожаю коренеплодів від глибини ходу зуба у грунті; швидкісних режимів робочого органа; агротехнічної ефективності ланцюгового робочого органа при реалізації механічної вибірковості; фізико-механічних властивостей оброблюваного шару ґрунту; уточнення параметрів ланцюгового робочого органа із застосуванням методу планування експерименту. Застосовувалися сучасні стандартні програми і методики (РД 10.4.2 – 89, РД 10.4.3 – 89, ОСТ 70.4.3 – 74), спеціальні, а також методики, розроблені автором на основі загальних методичних положень.
Для проведення експериментальних досліджень ланцюгового робочого органа було розроблено і виготовлено лабораторно-польову установку.
У розділі п’ятому викладено результати експериментальних досліджень та аналіз отриманих даних. Встановлено, що зуб діаметром 3 мм найменше видаляє і присипає сходи буряків, але практично не справляється із знищенням сходів бур’янів, а зуб діаметром 5 мм добре знищує бур’яни, але допускає значне видалення і присипання сходів буряків (рис.6). Причиною цього є низька жорсткість згину для зуба d = 3 мм, підвищена для d = 5 мм. Отже, раціональним діаметром дроту зуба є d = 4 мм. Судячи з впливу довжини m зуба на величину критеріїв ефективності (рис.7), раціональною слід вважати довжину зуба 120 мм, а найкращою за якістю роботи виявилася глибина ходу зуба у ґрунті h = 20 мм (рис.8). Обробіток на таку глибину забезпечує найбільший урожай коренеплодів цукрових буряків. Найбільший коефіцієнт механічної вибірковості робочий орган забезпечує при обробітку на глибину 20 мм Км =24,3 та 24,0 мм Км = 19,0
Рис.6. Вплив діаметра зуба на видалення сходів бур’янів та буряків:
__________ знищено бур’янів ,
- - - - - - - - видалено буряків,
- . _ . _ . _ . присипано буряків.
Рис. 7. Вплив довжини зуба на видалення сходів бур’янів та буряків:
__________ знищено бур’янів ,
- - - - - - - - видалено буряків,
_ . _ . _ . _ . присипано буряків.
Рис. 8. Вплив глибини ходу зуба у ґрунті на видалення сходів бур’янів та буряків:
__________ знищено бур’янів ,
- - - - - - - - видалено буряків,
_ . _ . _ . _ .присипано буряків.
Вплив швидкісних режимів (рис.9 і 10) є істотним, в першу чергу поступальної швидкості агрегату. Раціональними є Vп=1,1 м/с таVл= 0,66 м/с. На основі лабораторно-польових досліджень машини з ланцюговими робочими органами з реалізацією ПФЕ 23 при керованих факторах Х1 =1,1–1,9 м/с (поступальна швидкість агрегату), X2 = 0.66 – 1.34 м/с (швидкість ланцюга) та Х3 = 10-30 мм (глибина ходу зубів у ґрунті) отримано модель у вигляді рівнянь регресії з вихідними показниками: y, y1 та y2.
:
Рис. 9. Вплив поступальної швидкості агрегату на видалення сходів бур’янів та буряків:
__________знищено бур’янів,
- - - - - - - - видалено буряків при швидкості ланцюга:
1- Vл= 0,66 м/с, 2- Vл = 1,34 м/с.
Рис. 10. Вплив швидкості ланцюга на видалення сходів бур’янів та буряків:
__________знищено бур’янів,
- - - - - - - - видалено буряків
при поступальній швидкості агрегату: 1-Vп= 1,1 м/с, 2- Vп = 2,1 м/с.
видалення сходів бур’янів:
y = 73,3 + 3,21Х1 + 2,17Х2; (16)
видалення сходів буряків:
y1 = 4,73 + 1,45Х1 + 1,26Х2 +0,37 Х3 + 0,44Х1Х2; (17)
присипання сходів буряків:
y2= 2,18 + 0,68Х1 + 0,34Х2 +0,14Х3 + 0,25Х2Х3. (18)
Збільшення кількості знищених бур’янів пов’язане із підвищенням поступальної швидкості агрегату (Х1) та швидкості ланцюга (Х2 ). В моделях (17) і (18) зменшення кількості видалених та присипаних сходів буряків пов’язане із зниженням як поступальної швидкості (X1), так і швидкості ланцюга (X2). Глибина ходу в ґрунті зубів (Х3) не впливає на знищення бур’янів внаслідок її незначущості в умовах досліду, а в моделях (17) і (18) вона призводить до збільшення кількості видалених та присипаних сходів буряків.
У розділі шостому викладено результати виробничої перевірки експериментального зразка машини з ланцюговими робочими органами, яка проводилася у науковій сівозміні Волинського інституту агропромислового виробництва у сезон догляду за плантаціями цукрових буряків 2001 року. В результаті встановлено, що машина з ланцюговими робочими органами з раціональними параметрами і режимом роботи забезпечує в дослідженому діапазоні вологості ґрунту (W = 16-24 %) достатньо стійкі показники видалення сходів рослин (у середньому): знищення бур’янів – від 65 до 78%, видалення сходів буряків – від 3 до 5%, присипання сходів буряків до 1%. За вказаних значень критеріїв ефективності досягнуто наступного рівня коефіцієнта механічної вибірковості видалення сходів рослин – від 11 до 24,3. У результаті ланцюговий робочий орган сприяє підвищенню врожаю коренеплодів на 58 ц/га (НІР05=41,4ц/га). Результати досліджень і конструкторських розробок передані на ЗАТ „Нива” (м. Кам’янець-Подільський Хмельницької області).
Рис.11. Вигляд однорядної секції ланцюгового робочого органа
Розрахунковий річний економічний ефект від застосування машини з ланцюговими робочими органами становить 5347 грн.
Загальні висновки
1. Реалізовано в технологічному процесі, робочому органі і ґрунтообробній машині ефект механічного розпізнавання сходів рослин та їх селекції щодо бур’янів, що забезпечує знищення механічним методом бур’янів, які ростуть поруч із сходами буряків та деяких інших сільськогосподарських культур без пошкодження культурних рослин. Використання розробленого робочого органа дозволяє надати процесу механічної здатності вибіркового видалення сходів рослин керованого характеру.
2. Протікання процесу механічного вибіркового видалення сходів рослин полягає у функціонуванні в поверхневому шарі ґрунту системи зуб-пружина з певною величиною жорсткості, завдяки якій пружинний зуб долає опір величиною до 8Н без досягнення граничного поперечного згину, що дає змогу зсувати блок ґрунту з корінням бур’яну, а при зростанні опору понад 8Н зуб згинається понад величину граничного згину і обминає перешкоду, в нашому випадку блок ґрунту з рослиною буряків.
3. У результаті досліджень встановлена раціональна конструкція пружинного зуба у вигляді складеної з двох плавно з’єднаних між собою частин деталі, одна з частин якої являє собою стержень, а друга - співвісну із стержнем конічну виту пружину розтягу-стиску і виготовлений із сталі 65Г або кременистої сталі 60С2 методом гарячої або холодної навивки з подальшими гартуванням і відпуском. Теоретично обґрунтований та експериментально підтверджений діаметр дроту d=4мм, який забезпечує максимальне знищення бур’янів і мінімальне пошкодження та присипання сходів буряків.
4. За результатом розрахунку методом кінцевих елементів (МКЕ) апроксимованої криволінійної частини системи зуб-пружина набором прямолінійних елементів було отримано і розв’язано систему лінійних алгебраїчних рівнянь, що налічувало 90 рівнянь рівноваги, в результаті чого встановлена необхідна для реалізації вибіркового видалення сходів жорсткість пружинного зуба в межах 430-460 Н/м.
5. Мірою згину розрахованого зуба, при прикладанні навантаження, може служити кривина його пружної лінії, яка складається із суми деформацій згину стержня, згину пружини та деформації кручення витків пружини. Граничним відхиленням кінця зуба, при реалізації деформації зсуву, є 18,2 – 20мм в результаті прикладання навантаження 8Н. Склавши та вирішивши диференціальне рівняння пружної лінії стержня зуба та математичні залежності переміщення кінця зуба від деформації згину та кручення пружини, одержали сумарний прогин системи зуб-пружина величиною 18,28мм при навантаженні 8Н.
6. Експериментальні дослідження дозволили розкрити нові закономірності процесу. Так, встановлено, що збільшення довжини зуба з 80мм до 140мм не позначається на кількості знищених бур’янів, зате зуб довжиною 120мм фактично у два рази менше видаляє буряків і менше присипає сходів буряків порівняно з зубами довжиною 80мм і 140мм. Величина знищення бур’янів для всіх варіантів глибини ходу зуба у ґрунті (від 10мм до 24мм) залишається практично однаковою, в той же час видалення сходів буряків і їх присипання із збільшенням глибини ходу зуба зростають. Урожай коренеплодів зростає при обробітку ланцюговим робочим органом на глибину 20 і 24мм порівняно з контролем, де обробіток був відсутній.
7. На основі результатів натурних випробувань встановлено визначальний вплив швидкості поступального руху агрегату та швидкості ланцюгового контура на ефективність функціонування робочого органа. Хоча кількість знищених бур’янів практично не залежить від поступальної швидкості агрегату та від швидкості ланцюгового контура, зате збільшення поступальної швидкості з 1,1м/с до 2,1м/с призводить до підвищення в 4,2 раза кількості видалених буряків, а збільшення швидкості ланцюга з 0,66м/с до 1,34м/с призводить до зростання у 3,9 раза кількості видалених буряків.
8. Вперше одержані рівняння регресії свідчать, що збільшення кількості знищених бур’янів пов’язане із зростанням поступальної швидкості агрегату та швидкості ланцюга. В той же час зменшенню кількості видалених та присипаних сходів буряків сприяє зниження поступальної швидкості агрегату і швидкості ланцюга. Глибина ходу зубів не впливає на знищення бур’янів, а із збільшенням глибини зростає кількість видалених та присипаних сходів буряків. Розв’язання компромісної задачі дало змогу рекомендувати такі раціональні параметри ланцюгового робочого органа: поступальна швидкість агрегату Vn=1,1м/с, швидкість ланцюга контура Vл=0,66м/с, глибина ходу зуба у ґрунті h=20-24мм. При роботі ланцюгового робочого органа, наділеного вказаними раціональними параметрами, можна одержати такі значення критеріїв ефективності: знищення бур’янів у=67,92%, видалення сходів буряків y1=2,83%, присипання сходів буряків y2=1,05%.
9. Машина з ланцюговими робочими органами з раціональними параметрами і режимами роботи забезпечує у дослідженому діапазоні вологості ґрунту (W=16-24%) достатньо стійкі показники видалення сходів рослин (у середньому): знищення бур’янів – від 65 до 78%, видалення сходів буряків – від 3 до 5%, присипання сходів буряків до 1%. За вказаних значень критеріїв ефективності досягнуто наступного рівня коефіцієнта механічної вибірковості видалення сходів рослин – 11 – 24,3. Встановлено, що робочий орган сприяє підвищенню врожаю коренеплодів на 58ц/га (НІР05 = 41,4ц/га).
Результати досліджень і конструкторських розробок передані на ЗАТ “Нива” (Кам’янець-Подільський Хмельницької області). Розрахунковий річний економічний ефект від застосування машини з ланцюговими робочими органами становить 5347грн.
Список праць, опублікованих за темою дисертації
1. Сичук Л.В. Вплив діаметра дроту та довжини пружинного зуба на якість роботи ланцюгового робочого органа // Сільськогосподарські машини: збірник наукових статей. Вип.. 12. – Луцьк: ЛДТУ, 2004.-С 142-144.
2. Сичук Л. В. Оптимізація процесу обробітку сходів буряків ланцюговим робочим органом // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць НАУ. Том ІХ. – Київ: НАУ, 2000. - С.345-347.
3. Хелемендик М. М., Сичук Л.В., Голій О.В., Шеремета Р.Є. Про механічну вибірковість дії робочих органів сільськогосподарських машин і знарядь // Сільськогосподарські машини: Збірник наукових статей. Вип. 8. - Луцьк: ЛДТУ, 2001.-С. 351-356.(здобувачем запропоновано механічну вибірковість ЛРО)
4. Хелемендик М. М., Сичук Л.В., Голій О.В. Підвищення ефективності агротехнічних методів боротьби з бур’янами // Цукрові буряки. - 2002. - №1. - С. 18-19. (здобувачем запропоновано механічний метод боротьби з бур’янами)
5. Хелемендик М. М., Сичук Л.В., Голій О.В. Механіко – технологічні передумови ефекту механічної вибірковості видалення сходів рослин// Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Випуск 13. – Мелітополь: ТДАТА, 2003. – С. 15-21.(визначена величина зусилля виривання буряків та бур’янів)
6. Хелемендик М. М., Сичук Л.В. Машина для обробітку ґрунту з вибірковим видаленням сходів // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. статей. Вип. 11. – Луцьк: ЛДТУ, 2003. – С. 158-160.(проведені виробничі випробування машини)
7. Пат. 46080 (Україна), МКВ А01В 19/02. Борона з пружинними зубами / Хелемендик М.М., Роїк М.В., Паламарчук В.І., Ляда М.І., Булгаков В.М., Битов В.П., Науменко М.Д., Голій О.В., Мисковець В.К., Жилєнков В.Д., Шевчук М.Й., Люлька Г.І., Сичук Л.В., Крижко В.М., Курило В.Л. - №98073553; Заявлено 07.07.98; Опубл. 15.05.02; Бюл. №5. – 3 с.(здобувачем запропонована конструктивна схема борони)
8. Пат. 50340 (Україна), МКВ А01В 35/12, А01В 39/08. Ланцюговий робочий орган / Хелемендик М.М., Сичук Л.В., Мисковець В.К., Люлька Г.І., Пастух А.А. - №2001128956; Заявлено 24.12.2001; - Опубл. 15.10.2002; Бюл. №10.-3с.(здобувачем запропонована конструкція пружинного зуба).
Анотація
Сичук Л.В. Обґрунтування параметрів знаряддя для видалення бур’янів на плантаціях цукрових буряків. – Рукопис
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2004.
На основі поглиблених досліджень агротехнічних і технічних передумов механічного розпізнавання сходів рослин і їх механічної селекції щодо бур’янів виявлений ефект механічної вибірковості видалення сходів і розвинуті наукові та технічні основи процесу механічної вибірковості. Вперше розроблені модель ґрунту з корінцями сходів рослин і модель процесу механічної вибірковості. Вперше синтезовано пружинний зуб і ланцюговий робочий орган, наділені характеристикою механічної вибірковості видалення сходів. Розроблена математична модель функціонування пружинного зуба. Виведені аналітичні залежності для визначення конструктивних параметрів і режимів роботи машини з ланцюговими робочими органами. Проведені експериментальні дослідження підтвердили адекватність теоретичних розробок, а виробничі випробування встановили господарську придатність і техніко-економічну ефективність машини з ланцюговими робочими органами.
Ключові слова: система „ґрунт - сходи рослин”, ланцюговий робочий орган, пружинний зуб, механічне розпізнавання сходів, знищення бур’янів, очікуване видалення сходів буряків, розпушування ґрунту.
Аннотация
Сычук Л.В. Обоснование параметров орудия для удаления сорняков на плантациях сахарной свеклы. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. – Тернополь, 2004.
На основании углубленных исследований агротехнических и технических предпосылок механического распознавания всходов растений и их механической селекции относительно сорняков выявлен эффект механической избирательности удаления всходов, заключающийся в механическом уничтожении сорняков, растущих рядом со всходами свеклы, и оставление без повреждений всходов свеклы. Получили дальнейшее развитие научные и технические основы процесса механической избирательности удаления растений. Впервые разработана модель почвы с корешками растений, модель процесса механической избирательности. Впервые синтезированы пружинный зуб и цепной рабочий орган с пружинными зубьями, обладающие актуальной характеристикой механической избирательностью удаления всходов. Разработана математическая модель функционирования пружинного зуба. Выполнен инженерный расчет пружинного зуба. Выведены аналитические зависимости для определения конструктивных параметров и режимов работы пружинного зуба и машины с цепными рабочими органами. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили адекватность теоретических разработок. В результате производственных испытаний установлена хозяйственная пригодность и технико-экономическая эффективность процесса механической избирательности удаления растений и машины с цепными рабочими органами, имеющей указанный эффект.
Разработанная в диссертации и проверенная в производственных условиях машина с цепными рабочими органами при применении на посевах сахарной свеклы обеспечивает механическое уничтожение сорняков, благодаря чему уменьшается количество применяемых гербицидов, удаление больных растений свеклы и предохранение всходов свеклы от заболевания корнеедом благодаря рыхлению верхнего слоя почвы. Это обеспечивает повышение урожая корнеплодов сахарной свеклы на 58 ц/га и более. Машина хорошо вписывается в технологический процесс выращивания сахарной свеклы. Благодаря реализации экологобезопасного способа борьбы с сорняками, высокой технико-экономической эффективности, обеспечению хороших прогнозируемых технологических показателей работы машина с цепными рабочими органами может стать незаменимым орудием по уходу за посевами сахарной свеклы и других пропашных культур в начале вегетации растений.
Ключевые слова: система „почва - всходы растений”, цепной рабочий орган, пружинный зуб, механическое распознавание всходов, уничтожение сорняков, ожидаемое удаление всходов свеклы, рыхление почвы.
Summary
L.V.Sychuk.
Substation of parameters working tool for soil cultivation with selective removal of shoots – Manuscript.
Thesis for a scientific degree of Candidate of technical sciences on speciality 05.05.11
“Machines and facilities of agricultural production” – Ivan Puliuy State Technical University of Ternopil.
The thesis is dedicated to the problems of theoretical and experimental research of the process of mechanical selectance of plant shoots removal and deuelopment of a chain working tool for selective mechanical removal of plant shoots.
An effect of mechanical selectivity consisting of mechanical destruction of weeds growing close to beet shoots and leaving the sugar-beets shoots univjured is revealed. Seientific and technical bases of mechanical selectivity of plants removal were furtes developed.
Model of soil with shoot roots and model of the proсess of mechanical selectivity were worked out.
For the first time a spring tine and a chain working tool were synthesized.
A mathcmatical model of spring tine functioning is worked Analyticfl dependences for design data definition
