ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

ШЕРСТЮК ВАЛЕРІЙ СЕРГІЙОВИЧ

УДК 631.333

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ВИСІВУ

МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ

РОЗПОДІЛЬЧО-ДОЗУЮЧИМ ПРИСТРОЄМ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського

господарства імені Петра Василенка (ХНТУСГ) Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Тіщенко Леонід Миколайович, ХНТУСГ,

завідувач кафедри “Деталі машин і підйомно-транспортні машини”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Морозов Іван Васильович, ХНТУСГ, професор

кафедри “Сільськогосподарські машини”;

кандидат технічних наук, професор

Пащенко Володимир Филимонович, Харківський національний

аграрний університет ім. В.В. Докучаєва, завідувач кафедри

“Механізація і електрифікація сільськогосподарського виробництва”.

Провідна установа: Національний науковий центр Інститут механізації

та електрифікації сільського господарства”

Української академії аграрних наук, лабораторія

“Механізація застосування мінеральних добрив”,

Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха.

Захист відбудеться 24.02.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий 22.012005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черенков О.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Урожайність с.-г. культур суттєво залежить від рівня забезпечення їх поживними речовинами. Одним із основних джерел надходження їх у грунт є мінеральні добрива, ефективність використання яких у значній мірі залежить від кількості та рівномірності їх висіву.

В результаті аналізу існуючих способів і технічних засобів висіву мінеральних добрив установлено, що техніка, яка використовується зараз, за своїми характеристиками не відповідає сучасним вимогам виробництва. Машини з задовільною рівномірністю мають малі дози висіву та продуктивність, а з достатньою продуктивністю – незадовільну рівномірність висіву. Машини з пневматичними та шнековими розподільниками вітчизняного та закордонного виробництва при широкому діапазоні доз висіву не забезпечують агротехнічно допустиму рівномірність внаслідок конструктивних недоліків. Тому створення високопродуктивного агрегату, який може висівати мінеральні добрива з агротехнічно допустимою рівномірністю в широкому діапазоні доз висіву, є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною: Державної програми “Виробництво технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу на період 1998 – 2005 р.р. Розділ 3 (п. 3.3. Машини для внесення мінеральних добрив)”; комплексної теми 1-4 науково-дослідних робіт ХНТУСГ “Розробка і впровадження у виробництво машинно-технологічних систем для механізованого виробництва сільськогосподарської продукції на основі енергозберігаючих, екологічно безпечних технологій і технічних засобів для різних форм господарювання”, підрозділ 1.1. “Розробка і апробація енергозберігаючих та екологічно безпечних технологій”; науково-дослідної роботи “Обґрунтування параметрів розподільчо-дозуючого пристрою для висіву мінеральних добрив з фіксованою шириною захвату” (ДР №0104U002972, 2001-2004 р.р.). Дослідження за темою дисертації виконувались також у відповідності з Державною програмою СРСР вирішення науково-технічної проблеми 0.51.02 ВАСГНІЛ, тема № 0.51.02.03.01.03: “Разработать технологический процесс и обосновать параметры машины для внутрипочвенного внесения минеральных удобрений ленточным способом под горох, подсолнечник и кукурузу”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технологічного процесу висіву мінеральних добрив шляхом обґрунтування його параметрів та параметрів розробленого розподільчо-дозуючого пристрою (РДП) з центральним бункером і розподільником у вигляді транспортуючої труби з внутрішньою гвинтовою поверхнею (ТТГ) з гравітаційним переміщенням добрив і примусовим відбором їх у дозуючих пристроях (ДП), що забезпечить виконання агротехнічних вимог із рівномірності висіву в широкому діапазоні доз та підвищує продуктивність агрегату.

Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання дослідження:

- обґрунтувати і розробити конструкцію РДП;

- розробити математичні моделі процесів переміщення сипкого матеріалу в ТТГ та в ДП;

- розробити методики лабораторних досліджень та виробничих випробувань РДП;

- розробити методику технологічного розрахунку процесу висіву РДП та провести техніко-економічну оцінку ефективності використання запропонованого пристрою.

Об’єкт дослідження: процес дозованого висіву гранульованих мінеральних добрив у широкому діапазоні доз та зв’язок процесу з конструктивно-кінематичними параметрами РДП.

Предмет дослідження: обґрунтування параметрів процесу висіву мінеральних добрив розподільчо-дозуючим пристроєм.

Методи дослідження: основою досліджень є розрахунково-експериментальні методи з використанням імітаційного моделювання досліджуваних процесів на базі положень механіки, теорії імовірності, математичної статистики з застосуванням програм “MathCAD”, “Statistica” та ін.

Наукова новизна одержаних результатів. Для керування та розрахунку технологічних показників процесу висіву мінеральних добрив одержані теоретичні залежності переміщення сипкого матеріалу в розробленій транспортуючій трубі з внутрішньою гвинтовою поверхнею, які вперше враховують циклічність руху матеріалу, конструктивно-кінематичні параметри труби, фізико-механічні властивості добрив і визначають швидкість їх осьового переміщення та продуктивність процесу. Для забезпечення необхідних доз висіву на підставі нерозривності потоку сипкого матеріалу вперше побудована математична модель руху мінеральних добрив у розробленому розподільчо-дозуючому пристрою з їх поетапним відбором, яка визначає площу висівних вікон і встановлює взаємозалежність між нею та конструктивно-кінематичними параметрами пристрою, фізико-механічними властивостями добрив, шириною міжрядь, захватом агрегату та його швидкістю. Для забезпечення сталості процесу висіву мінеральних добрив побудована математична модель руху сипкого матеріалу в розробленому дозуючому пристрої, яка містить фактори, що раніше не враховувались: змінність форми каналу, глибину введення та відстань відбірників від осі обертання. 1, 5, 6, 8, 9.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано та обґрунтовано спосіб підвищення ефективності технологічного процесу висіву гранульованих мінеральних добрив новим розподільчо-дозуючим пристроєм, що забезпечує агротехнічно допустиму рівномірність висіву в широкому діапазоні доз. Розроблено методику технологічного розрахунку процесу висіву та основних параметрів РДП.

На основі проведених досліджень створено розподільчо-дозуючий пристрій, який у виробничих умовах (СФГ “Діамант” Борівського р-ну Харківської обл.) виявився на 53% продуктивнішим, ніж КРН-4,2. Застосування нового розподільчо-дозуючого пристрою в СФГ “ОКА” Дворічанського р-ну Харківської обл. при вирощуванні соняшнику на площі 152 га показало: його продуктивність більша на 60% порівняно з КРН-4,2; підвищення врожаю склало 1,7 ц/га; вміст олії в насінні збільшився на 1%. Це дало змогу отримати додатково 20 тис. грн прибутку. Результати роботи передані для впровадження на ВАТ “Галещина, машзавод” Полтавської обл. з очікуваним економічним ефектом 4200 грн на одну машину.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем отримані самостійно. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок такий: 1 - визначено максимальний кут підйому частки в транспортуючий трубі; 2 - проведені лабораторні дослідження розподільчо-дозуючого пристрою; 5 - на підставі нерозривності руху потоку сипкого матеріалу одержано рівняння, що визначає процес його переміщення в розподільчо-дозуючому пристрої; 6 - розроблена математична модель переміщення сипкого матеріалу в транспортуючій трубі з поетапним його відбором; 8 - розроблена математична модель переміщення частки в транспортуючий трубі, яка дала змогу визначити швидкість її осьового руху. Експериментальні дослідження виконані автором самостійно. Участь здобувача при виробничих випробуваннях розробленого розподільчо-дозуючого пристрою, які були проведені спільно зі співробітниками лабораторії механізації внесення добрив та працівниками навчально-дослідного господарства ХНТУСГ, складає 70%.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи обговорені та схвалені на: науково-технічній конференції ВНДІПТМЕСГ, Зерноград, квітень 1986 р.; Всесоюзній науково-технічній конференції “Основные направления развития техники для возделывания и уборки сахарной свеклы и кукурузы по индустриальным технологиям”, УкрНДІСГОМ, Харків, червень 1986 р.; республіканській науково-технічній конференції “Проблемы конструирования и технологии производства сельскохозяйственных машин”, КІСМ, Кіровоград, жовтень 1986 р.; республіканській науково-технічній конференції “Пути развития механизации производства зерна в Украинской ССР”, УкрНДІМЕСГ, Київ-Глеваха, травень 1988 р.; ІV міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки”, ХНТУСГ, Харків, 2003р., а також на щорічних наукових конференціях ХНТУСГ, 1984...2004 р.р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано дев’ять статей у фахових виданнях (з них чотири статті опубліковані самостійно) та отримано авторське свідоцтво на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації 215 сторінок, з них основна частина викладена на 170 сторінках, містить 74 рисунків, 40 таблиць, 21 сторінку додатків. Список використаних джерел складає 162 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі виконано аналіз і проведено класифікацію способів та обладнання для висіву сипких мінеральних добрив. Досконалість технічного засобу для внесення добрив визначається в значній мірі його можливістю забезпечення рівномірності висіву. Встановлено, що обумовлена агротехнічними вимогами величина нерівномірності висіву добрив (до 10%) існуючими машинами перевищується в декілька разів. В.Е. Булаєв показав, що при основному внесенні добрив відцентровими робочими органами фактична нерівномірність сягає 50-70%. Така нерівномірність призводить до недобору врожаю, наприклад, зерна на 6...7 ц/га, картоплі – 20...25 ц/га. Як показали В.П. Ніконов й І.Ф.Сендряков, добрива при високій нерівномірності внесення взагалі з позитивного чинника перетворюються в негативний.

Аналіз конструкцій пристроїв для внесення мінеральних добрив, а також робіт Д.М. Анікста, І.К. Артюхова, А.Ф. Барбера, А.І. Борсукова, Г.В.Бельского, В.Е. Булаєва, Р.Т. Вільдреуша, М.Б. Гіліса, А.І. Горбильової, А.А. Докучаєва, Л.Е. Замятіна, Н.Н. Зеленіна, А.А. Калікінського та ін. показав, що дотримання норм агротехнічних вимог можливе тільки при використанні агрегатів з локальним внесенням добрив, з фіксованою шириною захвату і примусовим дозуючим їх відбором. Такі агрегати забезпечують максимальну ефективність використання мінеральних добрив. Крім того, як показали В.Д.Панніков, В.Г.Мінаєв, І.В.Грінченко, Koller K., Heymenn W., Jenkinson D., Fox H., Rayner J., стрічкове поверхневе або внутрішньогрунтове внесення добрив значно екологічно безпечніше, ніж поверхневе розкидне.

Вивчення стану проблеми та існуючих тенденцій розвитку конструкцій показує, що досить простими і надійними є шнекові засоби, але вони не забезпечують необхідну рівномірність висіву добрив внаслідок конструктивних недоліків, що стримує їх широке застосування. У них здійснюється подвійне дозування (на виході з бункера й у висівних отворах) та примусове переміщення добрив, що знаходяться у кожусі з надлишком, який накопичується в його торці. З метою запобігання руйнування пристрою, цей надлишок повертають до бункера. Це значно ускладнює конструкцію, підвищує її матеріалоємність та збільшує енерговитрати на привід допоміжних органів. Вільний вихід добрив через отвори в кожусі не дає змоги отримати необхідну рівномірність висіву. Примусове переміщення добрив вздовж кожуха призводить до їх здрібнення та утворення значної кількості пилоподібної фракції, що знижує ефективність використання добрив. Пил мінеральних добрив налипає на дозуючих отворах, зменшує їх пропускну спроможність, що змінює продуктивність і погіршує рівномірність висіву. Крім того, витки шнеку, проходячи над висівними отворами, створюють пульсацію добрив, що також погіршує рівномірність висіву. Уникнути цих недоліків можна, замінивши примусове переміщення добрив у розподільнику на гравітаційне, а вільний висів – на примусовий. Це здійснює розроблений розподільчо-дозуючий пристрій у вигляді ТТГ із ДП (рис. 1) [10].

Рис. 1. Конструктивна схема РДП з внутрішньою гвинтовою поверхнею:

1 – рама; 2 – центральний бункер; 3 – живильник; 4 – гвинт; 5 – секція кожуха; 6 – пластина нерухома; 7 – вікно вихідне; 8 – відбірник; 9 – ділянка секції збільшеного діаметра; 10 – зона віддалена від витків гвинта; 11 – 14 – тяги; 15 – зірочка

При роботі пристрою добрива з живильника 3 потрапляють у кожух, секції 5 якого жорстко з’єднані з гвинтом 4 і обертаються разом. В зазорах між секціями встановлені нерухомі пластини 6 з вихідними вікнами 7, в яких розміщені відбірники 8. Кожна секція має ділянку зі збільшеним діаметром 9, що разом з нерухомою пластиною утворюють зону 10 віддалену від гвинтової поверхні. При обертанні пристрою добрива переміщуються в осьовому напрямку по жолобу, що утворюється кожухом та гвинтовою поверхнею, потрапляють у зону 10, де відбірник 8 відокремлює частину добрив і виводить їх за межі пристрою. Таким чином у розробленій конструкції реалізовано принцип гравітаційного переміщення добрив по ширині захвату та примусовий відбір їх із кожуха. Гравітаційне переміщення добрив дозволяє запобігати подвійного дозування (залишається дозування тільки у ДП) і залишати надлишок добрив у кожусі (усувається необхідність повертати їх до бункера). При цьому практично не збільшується кількість пилоподібної фракції, що підвищує ефективність використання добрив. Застосування спеціального відбірника дозволяє отримувати сталу дозу та агротехнічно допустиму рівномірність висіву в широкому діапазоні норм внесення.

Аналізом теоретичних досліджень процесу переміщення сипкого матеріалу в трубах, що обертаються, які виконані Г.А. Генієвим, А.М. Григорьєвим, А.В.Євневичем, З.Б.Кантаровичем, П.С.Козьміним, В.Н.Левінсоном, А.Ф.Мешиком, А.О.Співаковським, Ф.Стренком, Е.І.Ходоровим встановлено, що при достатньо повно розробленій теорії цього процесу в горизонтальних та похилих гладких трубах практично відсутні дослідження руху сипкого матеріалу в трубі з додатковою внутрішньою гвинтовою поверхнею.

В.О. Кириченко, О.І. Завгородній, Г.С. Романюк розглядали рух частки в ТТГ і визначили граничні умови відриву її від внутрішньої поверхні в залежності від частоти обертання та кроку гвинта. Але в цих роботах не визначені: швидкість осьового руху частки, що обумовлює продуктивність ТТГ; закономірності переміщення шару сипкого матеріалу в ТТГ з проміжним його відбором; зв’язок продуктивності процесу з конструктивними та кінематичними параметрами, які, в свою чергу, залежать від агрономічних та експлуатаційних вимог. Необхідність рішення такої задачі обумовлена потребою оптимізації конструктивно-кінематичних параметрів розробленого пристрою для висіву мінеральних добрив.

Аналіз літературних джерел з визначення фізико-механічних властивостей мінеральних добрив, показники яких використовуються при теоретичних дослідженнях, показує, що, як правило, вказуються широкі діапазони їх значень, відомості про них неповні та суперечні, тому виникає необхідність уточнити та визначити ці властивості з метою одержання достовірних результатів при теоретичних дослідженнях.

У другому розділі наведено результати теоретичних досліджень з визначення кінематичних і конструктивних параметрів РДП.

Для забезпечення необхідної дози (q) висіву кожен дозуючий пристрій повинен мати продуктивність, яка визначається за формулою:

q = 0,1·bмVа·H , кг/с , (1)

де bм – ширина міжряддя, м; Vа – швидкість руху агрегату, м/с; Н – доза внесення, т/га.

Продуктивність ТТГ, яка повинна бути дещо більшою ніж сумарна продуктивність окремих дозуючих пристроїв для забезпечення їх сталої роботи, визначається за формулою:

М = р R2 Vтр kн с , кг/с , (2)

де R – радіус ТТГ, м; Vтр – швидкість переміщення сипкого матеріалу в ТТГ, м/с; kн– коефіцієнт наповнення ТТГ; с – густина матеріалу, кг/м3.

Швидкість переміщення матеріалу в ТТГ визначалась як швидкість руху окремої частки. При дослідженнях встановлено, що рух частки в ТТГ носить циклічний характер (рис. 2). З початком обертання ТТГ частка піднімається разом з кожухом в площині, перпендикулярній до її осі. При повороті труби на деякий кут ? сили тертя не можуть утримувати частку на внутрішній поверхні кожуха і вона починає скочуватися донизу, але вже під кутом до осі ТТГ в площині, яка визначається геометрією гвинта. Після зупинки цикл руху частки повторюється. Таким чином, частка за один цикл проходить відстань між точками А, В, А1, а в осьовому напрямку переміститься на відстань від точки А до точки А1. Середня швидкість осьового руху визначається за формулою:

Vтр = , (3)

де S – крок гвинта; щ – кутова швидкість обертання ТТГ; щ0 - кутова швидкість скочування частки; ш - кут коливання частки у перетині, нормальному до осі ТТГ; б - кут нахилу гвинтової лінії.

Рис. 2. Розрахункова схема до визначення закономірностей переміщення частки в ТТГ

Кутова швидкість скочування щ0 визначається з диференціального рівняння руху частки по внутрішній поверхні ТТГ методом чисельного інтегрування:

, (4)

де f – коефіцієнт тертя.

Вирази (3) та (4) дозволяють розрахунковим шляхом визначити швидкості осьового переміщення частки. Так, для гранульованого суперфосфату в робочому діапазоні частот обертання 10...60 хв-1 та діаметрі транспортуючої труби 0,1...0,2 м, вона знаходиться в межах від 0,016 до 0,185 м/с, що на 3...10% менше ніж така ж швидкість шнекового транспортера, а продуктивність становить 0,024...1,303 кг/с при тих же параметрах ТТГ.

Для визначення площі вихідного вікна F0 дозуючого пристрою, що забезпечує необхідну дозу висіву, досліджено рух шару сипкого матеріалу в ТТГ, що представляє собою суцільний потік, з якого через певні проміжки через вихідні вікна відбирається його певна кількість (рис. 3).

Рис. 3. Розрахункова схема переміщення шару сипкого матеріалу в ТТГ

Потік сипкого матеріалу в ТТГ та при відбору з неї повинен бути нерозривним. Рівняння нерозривності потоку в циліндричній системі координат має вигляд:

, (5)

де r x - компоненти швидкості.

Будемо вважати сипке середовище таким, що не стискується, а складову – малою. Тоді в рівнянні (5) залишаться друга та четверта складові, а права частина відповідає зміні маси в одиниці обєму за одиницю часу внаслідок відбору частини середовища з потоку. Після перетворень площа вихідного вікна F0 за умови однакової витрати маси матеріалу m0 через кожен відбірник:

де l – відстань між вихідними вікнами; Х – координата вихідного вікна.

Аналіз одержаного виразу дозволив встановити залежність між площею вихідного вікна F0 і витратою сипкої маси m0 через нього при різних частотах обертання ТТГ (рис. 4).

Рис. 4. Залежність між площею вихідного вікна F0 і витратою через нього сипкої маси m0 при різних частотах n обертання ТТГ (D=0,18 м; S=0,18 м)

Дозування добрив здійснюється відбірником, який відділяє частину потоку, що підводиться до нього знизу (рис. 5). Відбірник – прямокутна трикутна призма з внутрішньою направляючою пластиною (АВС), який розміщується у вихідному вікні (3) такого ж профілю. При роботі добрива потрапляють на направляючу пластину, яка змінює напрямок їх руху та виводить за межі пристрою через вихідне вікно.

Рис. 5. Схеми: а) відбірника; б) виходу добрив через відбірник:

1 – нерухома пластина; 2 – секція кожуха; 3 – вихідне вікно; 4 – відбірник

Параметри відбірника, що забезпечують необхідне дозування добрив, визначені дослідженням процесу руху шару сипкого матеріалу в каналі зі змінною геометрією поперечного перерізу (рис. 6).

Рис. 6. Розрахункова схема: а) руху шару сипкого матеріалу через відбірник; б) до визначення співвідношення площ поперечного перерізу входу та вихідного вікна в залежності від глибини введення відбірника

Одержано вираз, що визначає величину продуктивності процесу висіву дозуючим пристроєм:

Ч , (7)

де S1, S2 – площі відповідно поперечного перерізу входу та вихідного вікна, f0 – коефіцієнт тертя матеріалу; f1 – коефіцієнт внутрішнього тертя матеріалу; µ - коефіцієнт Пуассона матеріалу; hш – висота шару матеріалу що відділяється; бв – кут відриву матеріалу; - складова прискорення матеріалу по осі у; Rд – відстань від центру обертання до лінії виходу матеріалу за межі дозатора; lв – довжина лінії відриву матеріалу; х – поточна координата лінії відриву; в – глибина введення відбірника в потік; а, с – розміри вихідного вікна.

Результати аналізу виразу (7) наведено на рис. 7.

Продуктивність дозуючого пристрою залежить, як від частоти обертання транспортуючої труби, та і від глибини введення відбірника, але, як видно з рис.7 глибина введення відбірника більш суттєво впливає на продуктивність дозуючого пристрою, тому цей параметр необхідно приймати за основний при регулюванні дози висіву.

При прямокутному перерізі входу та трикутному перерізі вихідного вікна одержано рівняння, яке визначає форму кривої направляючої пластини у вигляді параболічного циліндра, в залежності від конструктивних параметрів відбірника, що забезпечує рух сипкого матеріалу з найменшим опором.

Зв’язок продуктивності транспортуючої труби з необхідною нормою висіву добрив і величиною витрати через дозуючий пристрій дозволив визначити конструктивні та кінематичні параметри ТТГ, розміри вихідного вікна дозатора, а також обґрунтувати регулювання дози висіву добрив.

Для забезпечення дози висіву 20...1000 кг/га мінеральних добрив з густиною 1000 кг/м3 визначені раціональні параметри розподільчо-дозуючого пристрою: діаметр труби – 0,14...0,19 м; частота обертання ТТГ – 10...40 хв-1; площа вихідного вікна 150...900 мм2 та розміри його сторін 30 та 60 мм; глибина введення відбірника – 10...60 мм; продуктивність ДП – 2,68...179,41 г/с.

У третьому розділі наведені програма та методика експериментальних досліджень, виконано обґрунтування і опис об’єкту досліджень та експериментальних пристроїв.

Для дослідження фізико-механічних властивостей мінеральних добрив: гранулометричного складу, коефіцієнта внутрішнього тертя, кутів природного укосу, насипання, початку скочування з похилої площини та впливу на гранулометричний склад шнекового транспортера та транспортуючий трубі використовувались стандартні та спеціально розроблені пристрої та методики.

Для дослідження продуктивності транспортуючий труби та оптимізації конструктивних і кінематичних параметрів розподільчої частини пристрою була виготовлена лабораторна установка з однією секцією розподільника (рис. 8). Для зменшення кількості параметрів, що впливають на працездатність транспортуючої труби, було проведено відсіваючий експеримент. Використання методу випадкового балансу, рекомендованого для попередньої оцінки вагомості кожного з факторів окремо, дозволило скоротити число досліджуваних факторів у чотири рази.

Експериментальні дослідження дозуючого пристрою, з урахуванням багатофакторності процесу переміщення добрив у дозаторі зі значущою взаємозалежністю факторів, проведено методом кореляційно-регресійного аналізу. Використано ротатабельний план другого порядку. Дослідження та оптимізація параметрів дозуючого пристрою виконані на лабораторній установці (рис. 8), в якій на протилежному від бункера боці встановлювалася секція 8 з дозуючим пристроєм.

Рис. 8. Лабораторна установка для визначення закономірностей переміщення частки, продуктивності транспортуючої труби та дозуючого пристрою: 1 – транспортуюча труба; 2 – рама; 3 – пристрій запірний; 4 – лоток; 5 – привід; 6 – живильник; 7 – бункер; 8 – секція з дозуючим пристроєм; 9 – відбірник

Перевірка показників роботи дозуючого пристрою на сталість дози та рівномірність висіву добрив проводилась на установці з чотирма секціями (рис. 9).

Під час проведення дослідів у польових умовах використовувався агрегат, що складався з трактора ЮМЗ-6Л та розподільчо-дозуючого пристрою, змонтований на базі культиватора КРН-4,2. Для збирання висіяних добрив на ділянці були розміщені 120 лотків за схемою (рис. 10), що забезпечила можливість одночасної оцінки поздовжньої та поперечної нерівномірностей. Обробка результатів дослідів виконана методами математичної статистики з використанням стандартних програм для ПК. Нерівномірність висіву оцінювалась коефіцієнтом варіації.

Рис. 9. Лабораторні дослідження роботи дозуючих пристроїв на сталість дози та рівномірність висіву | Рис. 10. Схема розміщення лотків та руху агрегату при проведенні дослідів у польових умовах

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень, виконаних у відповідності з програмою.

Дослідження фізико-механічних характеристик мінеральних добрив дозволило уточнити і розширити відомі дані, необхідні для проведення теоретичних досліджень. Ситовий аналіз гранулометричного складу вихідної суміші та сумішей, що пройшли через шнековий транспортер та транспортуючу трубу показав, що в транспортуюча труба майже не відбувається здрібнення добрив тоді, як шнековий транспортер збільшує кількість пилоподібної фракції (до 0,1 мм) для різних добрив у 4…6 рази порівняно з транспортуючою трубою. Це сприяє більш надійній роботі дозуючих пристроїв та більш ефективному використанню мінеральних добрив.

Оцінка результатів відсіваючого експерименту показала, що на продуктивність транспортуючої труби суттєво впливають її діаметр та частота обертання, менше впливають кут нахилу розподільника (у межах до 80) та об’ємна маса транспортуючого матеріалу. Незначний вплив мають число заходів гвинта, співвідношення кроку гвинта до його діаметра та коефіцієнти тертя добрив. За результатами аналізу було виключено шість параметрів з восьми, що дало змогу значно скоротити обсяг експериментальних досліджень.

Дослідження осьової швидкості переміщення добрив у транспортуючій трубі показали, що характер залежності її величини від частоти обертання близький до лінійного та ідентичний характеру теоретичної залежності при задовільній збіжності (рис. 10).

Задовільну збіжність з теоретичними результатами дали також результати експериментальної перевірки продуктивності транспортуючої труби в залежності від частоти її обертання (рис. 11).

Рис. 10. Теоретична 1 та експериментальна 2 залежності осьової швидкості переміщення добрив від частоти обертання транспортуючої труби | Рис. 11. Продуктивності транспортуючої труби в залежності від частоти обертання: 1 – теоретична; 2 – експериментальна

За результатами багатофакторного експерименту впливу кінематичних та конструктивних параметрів на величину продуктивності дозуючого пристрою одержано рівняння регресії, яке визначає залежність продуктивності процесу висіву добрив дозатором від частоти обертання труби (х1), глибини введення (х2) та відстані (х3) відбірника від осі обертання:

+

. (8)

Аналіз виразу (8) показав, що продуктивність дозуючого пристрою суттєво залежить від глибини введення відбірника, тому цей параметр було прийнято для регулювання дози висіву. Це підтверджує адекватність розробленої математичної моделі (8).

Дослідження нерівномірності висіву, яка оцінювалась коефіцієнтом варіації (табл. 1), показали, що на всіх досліджуваних частотах обертання поперечна та поздовжня нерівномірності висіву не перевищують агротехнічно допустиму (10%), причому зі збільшенням частоти обертання розподільчо-дозуючого пристрою та глибини введення відбірника нерівномірність висіву зменшується. При цьому для агрегату шириною 4,2 м при швидкості руху 7,2 км/год і шириною міжряддя 0,7 м доза висіву суперфосфату знаходиться в межах від 15 до 1166 кг/га.

Комплексний аналіз результатів теоретичних, експериментальних і виробничих досліджень дозволив рекомендувати для агрегату з шириною захвату від 4 до 6 м, при швидкості його руху від 7 до 10 км/год та при ширині міжряддя від 0,3 до 0,7 м, для забезпечення дози висіву від 20 до 1000 кг/га мінеральних добрив такі оптимальні значення конструктивно-кінематичних параметрів транспортуючої труби: діаметр 0,19 м; крок гвинта 0,19 м; частоти обертання 14 і 28 хв-1. Вихідне вікно є прямокутний трикутник площею 900 мм2 з розмірами катетів 30 і 60 мм. Глибина введення відбірника для забезпечення всього діапазону доз висіву становить 10...60 мм, а його направляюча пластина виконана у формі параболічного циліндру.

Таблиця 1

Нерівномірність та доза висіву виробничою установкою розподільчо-дозуючого пристрою

Глибина

введення

відбірника, мм | Нерівномірності висіву (%) при частотах обертання (хв-1) РДП | Дози висіву (кг/га) при частотах обертання (хв-1) РДП | поздовжня | поперечна

14 | 28 | 14 | 28 | 14 | 28

10 | 9,11 | 8,04 | 9,85 | 6,83 | 15,3 | 26,8

20 | 8,72 | 6,21 | 9,18 | 6,04 | 75,1 | 106,8

30 | 7,84 | 5,67 | 7,14 | 5,82 | 156,2 | 252,8

40 | 6,31 | 3,32 | 6,63 | 3,73 | 265,1 | 463,4

50 | 5,43 | 2,83 | 5,86 | 3,33 | 420,2 | 702,7

60 | 5,17 | 2,61 | 4,87 | 2,83 | 593,7 | 1166,2

Виробничі випробування розробленого РДП з шириною захвату 4,2 м і бункером об’ємом 1 м3 проведені в СФГ “Діамант” Борівського р-ну Харківської обл. показали, що його продуктивність на 53% більша, ніж у КРН-4,2. Використання РДП при вирощуванні соняшнику на площі 152 га в СФГ “ОКА” Дворічанського р-ну Харківської обл. показало: його продуктивність більша на 60% порівняно з КРН-4,2; підвищення врожайності склало 1,7ц/га; вміст олії в насінні збільшився на 1%. Це дало змогу отримати додатково 20 тис. грн прибутку. Результати роботи передані для впровадження на ВАТ “Галещина, машзавод” Полтавської області з очікуваним економічним ефектом 4200 грн на одну машину.

У п’ятому розділі наведено методику технологічного розрахунку процесу висіву та номограму для визначення основних параметрів розподільчо-дозуючого пристрою, а також – економічне обґрунтування його доцільності.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в обґрунтуванні параметрів технологічного процесу дозованого висіву гранульованих мінеральних добрив при фіксованій ширині захвату агрегатом з центральним бункером та розробленим розподільчо-дозуючим пристроєм (РДП) у вигляді транспортуючої труби з внутрішньою гвинтовою поверхнею (ТТГ) та з дозуючими пристроями (ДП). Це дозволило привести нерівномірність висіву добрив до агротехнічних вимог на всьому діапазоні доз висіву при підвищенні продуктивності агрегату.

1. Проведеним аналізом літературних джерел установлено, що найбільш ефективне використання мінеральних добрив досягається при їх внутрішньогрунтовому внесенні. Показано, що існуючі на теперішній час засоби не в повній мірі відповідають агрономічним та технологічним вимогам до висіву добрив в широкому діапазоні їх доз. Виявлено, що у кожусі відомих шнекових РДП добрива знаходяться з надлишком, переміщуються примусово, подрібнюються. Надлишок добрив з метою запобігання руйнуванню РДП необхідно повертати до бункера. Це ускладнює і підвищує матеріалоємність конструкції, призводить до утворення підвищеної кількості пилоподібної фракції, яка налипає на висівні вікна, змінює їх площу, зменшує дозу та погіршує рівномірність висіву. Для усунення цих недоліків необхідно розробити нову конструкцію РДП з гравітаційним переміщенням добрив по ширині захвату агрегату та їх примусовим дозованим відбором і виконати теоретичні та експериментальні дослідження для обґрунтування та керування параметрів процесу дозованого висіву мінеральних добрив.

2. Для визначення закономірностей процесу висіву та основних конструктивно-кінематичних параметрів РДП розроблені математичні моделі руху частки та сипкого матеріалу в ТТГ та ДП. Установлено, що переміщення частки в ТТГ є гравітаційним циклічним, визначає осьову швидкість переміщення добрив і продуктивність ТТГ. Визначено, що в робочому діапазоні частот обертання 10...60хв-1 і при діаметрах труби 0,1...0,2м осьова швидкість знаходиться в межах 0,016...0,185м/с, а продуктивність становить 0,024...1,303 кг/с.

3. За умови забезпечення нерозривності потоку шару сипкого матеріалу одержані взаємопов’язані вирази для визначення основних конструктивно-кінематичних параметрів РДП і продуктивності процесу висіву. Для забезпечення дози висіву 20...1000 кг/га мінеральних добрив з густиною 1000 кг/м3 визначені параметри РДП: діаметр труби – 0,14...0,19 м; частота обертання ТТГ – 10...40 хв-1; площа вихідного вікна 150...900 мм2; глибина введення відбірника – 10...60 мм; продуктивність ДП – 2,68...179,41 г/с.

4. Експериментальними дослідженнями розподільчо-дозуючого пристрою з діаметром транспортуючої труби 0,19 м при частотах обертання 14...56 хв-1 та розмірами вихідного вікна 30 на 60 мм, для мінеральних добрив з густиною 980...1200 кг/м3 визначено: коефіцієнт наповнення транспортуючої труби – 0,20...0,25 та зі збільшенням частоти обертання він зменшується; продуктивність ТТГ – 0,300...1,240 кг/с; продуктивність дозуючого пристрою при глибинах введення відбірника 10...60 мм – 1,74...290,24 г/с; зміна кута нахилу РДП в межах ±6о призводить до зміни продуктивності дозуючого пристрою на 0,98...1,43%. Нерівномірність висіву становить 2,52...9,11%. Зі збільшенням частоти обертання та глибини введення відбірника нерівномірність висіву зменшується. Доза висіву суперфосфату при частоті обертання 14 хв-1 та глибинах введення відбірника 10...60 мм становить 15,28...593,72 кг/га, а при частоті обертання 28 хв-1 і тих же глибинах введення – 26,78...1166,23 кг/га.

5. Установлено, що експериментальні залежності осьової швидкості переміщення добрив і продуктивності РДП мають задовільну збіжність з теоретичними, що підтверджує адекватність розроблених математичних моделей. Визначено, що залежність продуктивності ТТГ від частоти обертання носить прямолінійний характер. Установлена регресійна залежність продуктивності дозуючих пристроїв від частоти обертання труби, глибини введення та відстані відбірників від осі обертання. Продуктивність пристрою суттєво залежить від глибини введення відбірників і тому цей параметр необхідно приймати для регулювання дози висіву. Підтверджені значення глибин введення відбірників як оптимальних для вищезазначених частот обертання ТТГ.

6. Комплексним аналізом результатів теоретичних, експериментальних і виробничих досліджень для агрегату з шириною захвату від 4 до 6 м при швидкості руху від 7 до 10 км/год та при ширині міжряддя від 0,3 до 0,7 м для забезпечення дози висіву від 20 до 1000 кг/га мінеральних добрив рекомендовані такі оптимальні значення конструктивно-кінематичних параметрів розподільчо-дозуючого пристрою: діаметр транспортуючої труби 0,19 м, крок гвинта 0,19 м, частота обертання 14 і 28 хв-1. Вихідне вікно - прямокутний трикутник площею 900 мм2 з розмірами катетів 30 і 60 мм. Відстань відбірників від осі обертання 110 мм. Глибина введення відбірника 10...60 мм, а його направляюча пластина має форму параболічного циліндра.

7. Виробничими випробуваннями встановлено, що розроблений розподільчо-дозуючий пристрій розширює діапазон доз висіву та підвищує продуктивність агрегату і дає можливість застосовувати його як для підживлювання сільськогосподарських культур, так і для внесення основної дози мінеральних добрив. При застосуванні розробленого РДП в СФГ “Діамант” та в СФГ “ОКА” Харківської області продуктивність агрегату порівняно з КРН-4,2 збільшилась на 53...60%, при цьому в СФГ “ОКА” при вирощуванні соняшнику на площі 152 га отримано додатково 20 тис. грн прибутку. Результати роботи передані для впровадження на ВАТ „Галещина, машзавод” Полтавської області з очікуваним економічним ефектом 4200 грн на одну машину.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шерстюк В.С., Кирячев М.Е. Определение места расположения выходного окна в распределительно-дозирующем устройстве для локального внесения сыпучих минеральных удобрений // Механизация работ в полеводстве: Сб. научн. тр. МИИСП – М.: МИИСП, 1986. – С. 68-73. (Визначено максимальний кут підйому частки в транспортуючій трубі з внутрішньою гвинтовою поверхнею).

2. Слободюк В.Я., Шерстюк В.С., Григоров С.Н. Распределяюще-дозирующий рабочий орган для локального внесения сыпучих минеральных удобрений // Комплексная механизация производственных процессов в растениеводстве: Сб. научн. тр. ВНИПТИМЭСХ – Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 1987. – С. 89-94. (Проведені лабораторні дослідження розподільчо-дозуючому пристрої).

3. Шерстюк В.С. Распределяющее устройство машины для внесения минеральных удобрений при подкормке сельскохозяйственных культур // Механизация внесения удобрений на орошаемых землях: Сб. научн. тр. МИИСП – М.: МИИСП, 1987. – С. 89-94.

4. Шерстюк В.С. Выбор типа распределяющего устройства машины для внутрипочвенного внесения минеральных удобрений // Механизация внесения удобрений: Сб. научн. тр. УСХА. – К.: УСХА, 1990. – С. 45-49.

5. Тищенко Л.Н., Шерстюк В.С., Слоновский Н.В. К теории тубулярных механизмов машин и оборудования сельскохозяйственной техники // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. научн. тр. ХГТУСХ. – Харьков: ХГТУСХ, 1998. – С. 258-260. (На підставі нерозривності руху потоку сипкого матеріалу одержано рівняння, що визначає процес його переміщення в розподільчо-дозуючому пристрої).

6. Тищенко Л.Н., Шерстюк В.С., Слоновский Н.В. О точном решении интегрального уравнения теории транспортирования сыпучих грузов тубулярными устройствами применительно к высевающим машинам // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. научн. тр. ХГТУСХ. – Харьков: ХГТУСХ, 2000. – С. 174-177. (Розроблена математична модель переміщення сипкого матеріалу в ТТГ з поетапним його відбором).

7. Шерстюк В.С. Распределяющее устройство для внесения минеральных удобрений // Вісник інженерної академії України: Динамика и прочность машин, проблемы математики, механики и управления. – Харків, 2001. – Вип. 3, ч.2. – С. 244-248.

8. Миняйло А.В., Шерстюк В.С., Лукьянов И.М. Исследование движения частицы сыпучего материала в тубулярном транспортере // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве: Сб. научн. тр. 5-й международной научно-технической конференции.– Харьков, 2002.– С. 402-404. (Розроблена математична модель переміщення частки в транспортуючій трубі, яка дала змогу визначити швидкість її осьового руху).

9. Шерстюк В.С. Движение сыпучего материала через дозатор // Вісник ХДТУСГ: Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків: ХДТУСГ, 2004. – Вип. 26. – С. 190-200.

10. Машина для внесения сыпучих минеральных удобрений: А.с. 1237107 СССР, МКИ А 01 С 15/00. / В.Я. Слободюк, Н.Д. Зуев, В.А. Шмонин, В.И. Полевик, С.Н. Григоров, Л.А. Щемелинский, А.И. Довгань, Г.Б. Саклаков, Г.Н. Григорчук, В.С. Шерстюк, Г.В. Фесенко, А.В. Слободюк (СССР). - №3706433/30-15; Заявл. 13.12.83, Опубл. 15.06.86, Бюл. №22.–3 с.

АНОТАЦІЯ

Шерстюк В.С. Обґрунтування параметрів процесу висіву мінеральних добрив розподільчо-дозуючим пристроєм. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2005.

Дисертація присвячена питанню удосконалення технологічного процесу висіву мінеральних добрив шляхом створення розподільчо-дозуючого пристрою, який забезпечує підвищення рівномірності висіву та підвищення продуктивності агрегату.

У роботі наведено класифікацію пристроїв для висіву мінеральних добрив, на основі аналізу яких запропоновано новий тип розподільчо-дозуючого пристрою (РДП) у вигляді транспортуючої труби з внутрішньою гвинтовою поверхнею (ТТГ) з проміжним примусовим відбором добрив у висівних вікнах із дозаторами. Розроблено математичні моделі переміщення частки та шару сипкого матеріалу в транспортуючій трубі та у дозуючому пристрої. Досліджено вплив конструктивних і кінематичних параметрів на швидкість переміщення матеріалу та продуктивність транспортуючої труби та дозуючого пристрою. За результатами досліджень визначені раціональні параметри розподільчо-дозуючого пристрою. Адекватність математичних моделей підтверджена експериментами на лабораторних та натурній установках.

Основні результати роботи передані на ВАТ “Галещина, машзавод” (Полтавська обл.) та знайшли практичне застосування у фермерських господарствах “ОКА” та “Діамант” (Харківська обл.)

Ключові слова: процес висіву, мінеральні добрива, розподільчо-дозуючий пристрій, нерівномірність, продуктивність.

АННОТАЦИЯ

Шерстюк В.С. Обоснование параметров процесса высева минеральных удобрений распределяюще-дозирующим устройством. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11