УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР“

ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА”

(ННЦ “ІМЕСГ”)

ТКАЧ ОЛЕГ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 631.311.54

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

ТА РОЗРОБКА ТЕХНІЧНОГО ЗАСОБУ ДЛЯ ПЕРЕДПОСІВНОГО ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ ПІД ЦИКОРІЙ КОРЕНЕВИЙ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Глеваха – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті цукрових буряків Української академії аграрних наук (ІЦБ УААН)

Науковий керівник: | доктор сільськогосподарських наук, старший науковий співробітник Курило Василь Леонідович, Інститут цукрових буряків, завідувач лабораторії механізації виробництва цукрових буряків та насіння.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Національний аграрний університет, директор науково – дослідного інституту техніки та технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Завгородній Анатолій Федорович, Українська академія аграрних наук, провідний науковий співробітник відділу механізації та електрифікації харчової і переробної промисловості апарату президії.

Провідна установа: | Львівський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, м. Дубляни Жовківського району Львівської області.

Захист відбудеться “  ” березня 2005 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.27.358.01 у Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р-н., смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р-н., смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. .

Автореферат розісланий 15 лютого 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Адамчук В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Цикорій кореневий цінна технічна, лікарська та харчова культура. Він є сировиною для харчової промисловості, а саме кондитерського і спиртового виробництв та широко застосовується в медицині.

Насіння цикорію кореневого, маючи малі розміри та незначну енергію проростання, потребує дрібнішого фракційного складу ґрунту в зоні загортання насіння порівняно із іншими культурами.

Передпосівний обробіток ґрунту є однією із основних технологічних операцій, яка впливає на схожість насіння та розвиток рослин на початковому етапі вегетації. Сучасні технічні засоби, які застосовуються для вирощування цикорію кореневого, не забезпечують необхідної якості виконання технологічних процесів, що призводить до значних затрат праці і коштів.

Тому актуальними є питання удосконалення технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту, розробки комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію кореневого з метою підвищення його польової схожості шляхом створення оптимального фракційного складу ґрунту в зоні загортання насіння та укладання його на оптимальну глибину.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково –дослідна робота, що виконана за темою дисертації, була складовою частиною тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту цукрових буряків на 1996...2000 та 2001...2005 рр. і є складовою частиною науково-технічних програм Української академії аграрних наук на 1996...2000 рр. „Цукрові буряки”, номер державної реєстрації 0196U0012876 та науково-технічної програми на 2001...2005 рр., номер 0101U001246. Дисертаційна робота відповідає вимогам паспорту спеціальності 05.05.11 – „Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва”, який затверджено Президією ВАК України.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – підвищити якість передпосівного обробітку ґрунту і схожість насіння цикорію та зменшити витрати енергії.

Відповідно до поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати сучасні технології та технічні засоби, що використовуються для передпосівного обробітку ґрунту, їх вплив на його фізико – механічні властивості;

- обґрунтувати спосіб передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий та конструктивно – технологічні параметри робочих органів комбінованої машини, розробити конструкцію пруткового котка, з’ясувати залежність між його конструктивними параметрами та якісними показниками;

- розробити методику досліджень, виготовити зразки пруткових котків з різними конструктивними параметрами, експериментально встановити залежність якості кришення ґрунту, енергоємності робочого процесу від, конструктивних параметрів котка та швидкості його руху;

- провести порівняльну оцінку роботи комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію кореневого і серійних машин за агротехнічними показниками;

- визначити техніко – економічну ефективність застосування нового способу передпосівного обробітку ґрунту, комбінованої машини для його виконання та сівби насіння цикорію.

Об’єкт досліджень – технологічний процес передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію кореневого і комбінована машина для його виконання.

Предмет досліджень – фізична модель лабораторної комбінованої установки та комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію кореневого, комплект робочих органів, параметри та режими їх роботи.

Методи досліджень. Теоретичне обґрунтування форми робочої поверхні синусоїдного прутка, конструктивно – технологічних параметрів пруткового котка здійснювалося з використанням математичного моделювання, що базувалося на положеннях теоретичної механіки із застосуванням основ землеробської механіки з використанням розроблених програм для ПЕОМ. Експериментальні дослідження виконували у лабораторних та польових умовах відповідно до прийнятої методики і галузевих стандартів, що передбачали використання теорії планування багатофакторного експерименту за матрицями ортогонального центрально – композиційного плану (ОЦКП). Опрацювання вихідних даних експериментальних досліджень здійснено на ПЕОМ з використанням розроблених і стандартних програм обробки статистичних даних, регресивного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Встановлено основні фактори, які впливають на польову схожість насіння цикорію кореневого.

· Розроблено спосіб передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий, який дозволяє за один прохід комбінованої машини провести передпосівний обробіток ґрунту та загортання дрібного насіння цикорію на малу глибину (1,0...1,5 см).

· Обґрунтовано конструктивно – технологічні параметри комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію кореневого.

· Обґрунтовано геометричні параметри котка із синусоїдними прутками, що забезпечують якісне кришення ґрунту в зоні загортання насіння.

· Експериментально встановлено агротехнічні та енергетичні показники роботи експериментальної комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію, обладнаної котками із прутками у формі синусоїди.

· Новизну технічних рішень підтверджено 2 патентами України на винахід (№ 41525А „Спосіб передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий”, №33770А „Агрегат для передпосівного обробітку ґрунту та сівби”).

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано новий спосіб передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію і конструкцію комбінованої машини для його виконання, яка дозволяє підвищити в 1,1…1,3 разу якість обробітку ґрунту, польову схожість насіння - на 5...10 % та збільшити урожайність коренеплодів на 10...15 %, що дало можливість отримати економічний ефект 72,58 грн/га.

Розроблено технічну документацію на комбіновану машину, оснащену котками з прутками у формі синусоїди, та методику інженерного розрахунку їх конструктивно – технологічних параметрів, які передано підприємству – виробнику ЕДП „Бурякотехніка”. Дослідний зразок комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію кореневого, оснащеної котком із прутками у формі синусоїди, пройшов науково – виробничу перевірку в дослідному господарстві „Саливінківське” Інституту цукрових буряків УААН.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень взяті до використання конструкторським бюро ВАТ „Кам'янець – Подільськсільмаш”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно, а саме: проведено аналіз способів передпосівного обробітку ґрунту, комбінованих агрегатів для його виконання, сівби насіння цикорію та ґрунтообробних робочих органів; обґрунтовано раціональну геометричну форму синусоїдного прутка; визначено основні конструктивні параметри котка із синусоїдними прутками; методом статистичного моделювання визначено оптимальні режими роботи комбінованої машини; експериментально визначено агротехнічні та енергетичні показники роботи дослідної комбінованої машини з різними типами робочих органів; визначено техніко – економічні показники роботи комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію, обладнаної котками із синусоїдним прутками.

Апробація результатів дисертації. За результатами досліджень зроблено доповіді на науково – технічних, науково – практичних конференціях і семінарах: на міжнародній конференції молодих вчених “Наукові основи виробництва цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни в сучасних економічних та екологічних умовах” (Київ: ІЦБ, 1998); міжнародній науково - технічній конференції „Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч” (Київ: НАУ, 1999); міжнародній науково-техніч-ній конференції “Технічний прогрес в сільськогосподарському виробництві” (Глеваха: ННЦ ІМЕСГ, 2000); міжнародному конгресі молодих вчених та студентів “Здоров’я села – здоров’я держави ” (Львів: ЛДАУ, 2000); науково - теоретичній конференції професорського - викладацького складу (Кам’янець-Подільський: ПДАТА, 2001); на сьомій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені І. Пулюя (Тернопіль: ТДТУ, 2003); міжнародній науково – практичній конференції молодих вчених та спеціалістів „Перспективи і шляхи вирішення проблем у сучасному буряківництві” (Київ: ІЦБ, 2003).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 наукових праць, п’ять з яких опубліковано у фахових виданнях, затверджених „Переліком...” ВАК України за даною спеціальністю, та отримано два патенти України на винахід.

Структура та об’єм дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, який включає 176 найменувань, в тому числі 5 іноземних, та додатків. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 175 сторінках машинописного тексту, включає 73 рисунки і 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об’єкт та предмет досліджень, відзначено зв’язок роботи з науковими програмами і темами, зазначено новизну одержаних результатів, їх практичне значення, апробації результатів досліджень і їх публікації.

У першому розділі “Стан питання і задачі досліджень” подано аналіз значення та історії вирощування цикорію кореневого, відомих способів передпосівного обробітку ґрунту, проведено огляд технічних засобів та робочих органів для його виконання. На основі аналізу результатів досліджень Вільчука В.А., Паншина Б.А., Сочеванова Е.Е., Березина В.А., Бугая С.М., Зуєва М.М., Кузьміча В.А., Шапошникова І.Ф., Манька А.Е., Кинаха В.А., Борисюка В.О. та інших вчених встановлено значення культури цикорію, технологію його вирощування та застосування.

На основі аналізу результатів досліджень Болотова Т.А., Костичева П.А., Вильямса В.Р., Качинського Н.А., Глуховського В.С., Коломійця О.П., Ревута І.Б., Крутя В.М., Попова Ф.А., Медведєва В.В, та інших вчених сформульовані вимоги щодо передпосівного обробітку ґрунту.

Аналіз розвитку конструкцій технічних засобів для передпосівного обробітку ґрунту, зроблений на основі результатів досліджень Данильченка М.І., Мазітова Н.К., Нагорного М.Н., Масло І.П., Листопада Г.Е., Гукова Я.С., Заіки П.М., Босого Е.С., Верняєва О.В., Кленіна Н.М., Сакуна В.А. та інших вчених, свідчить, що перспективним є напрям створення конструкцій комбінованих машин для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння, обладнаних робочими органами, що дозволяють виконувати вирівнювання, розпушування, кришення ґрунту та проведення сівби насіння. Разом з тим традиційний спосіб проведення передпосівного обробітку ґрунту не враховує особливості дрібного насіння цикорію кореневого щодо вимог до фракційного складу ґрунту та глибини загортання (1,0...1,5см). Існуючі типи конструкцій ґрунтообробних знарядь, з огляду на особливості їх роботи, не можуть за один прохід машини забезпечити необхідний фракційний склад ґрунту. Тому проведений аналіз засвідчив необхідність удосконалення технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту, розробки конструктивно – технологічної схеми комбінованої машини для його реалізації і сівби насіння цикорію, а також розробки технічного засобу, який би забезпечив достатнє кришення поверхневого шару ґрунту, необхідне для висіву насіння цикорію кореневого.

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування параметрів і режимів роботи комбінованої машини” висвітлено теоретичне обґрунтування технологічної схеми комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби з урахуванням біологічних особливостей насіння цикорію кореневого, а також конструктивних особливостей сучасних технічних засобів. На основі проведених досліджень запропоновано новий спосіб передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий, який дозволяє провести вирівнювання, розпушування, кришення, ущільнення верхнього шару ґрунту, загортання насіння на оптимальну глибину (1,0...1,5см) та прикочування за один прохід комбінованої машини. Це стає можливим, якщо сумістити технологічні операції передпосівного обробітку ґрунту і сівби, шляхом розробки конструкції секції комбінованої машини (рис. 1).

Для покращання якості кришення ґрунту, створення сприятливих умов для сівби дрібного насіння цикорію кореневого та подальшого розвитку рослин необхідно, щоб поверхневий шар ґрунту був дрібно грудкуватим (0,25...10мм 90%) та вологим (20...25%). З огляду на це, для кришення поверхневого шару ґрунту доцільно використовувати технічний засіб у вигляді пруткового котка із збільшеною площею взаємодії прутків з ґрунтом. |

1 - рама;

2 - підвіска;

3 - прикочувальне колесо;

4 - висівний апарат;

5 - ущільнююче колесо;

6 – коток, прутки якого виготовлені

у формі синусоїди;

7 – плоскорізальна лапа;

8 – вирівнювач.

Рис.1. Схема взаємного розміщення робочих органів секції комбінованої машини:

Таблиця 1.

Формули для визначення конструктивно – технологічних параметрів

секції комбінованої машини

Показник | Позначення | Формула

Ширина захвату вирівнювача, м | Вв

Ширина захвату котка, м | Вк

Довжина леза лапи, м | Lл

Відстань між плоскорізальною лапою та прутковим котком, м |

L2

Відстань між прутковим котком та секцією сівалки, м |

L3

Теоретичні обґрунтування конструктивно – технологічних параметрів пруткового котка, призначеного для кришення поверхневого шару ґрунту виконували на основі теорії ґрунтообробних знарядь з урахуванням досліджень Василенко П.М., Синєокова Г.Н., Шевченка І.А., Гукова Я.С., Дубровіна В.О., Лінника М.К., Войтюка Д.Г, Кушнарева А.С., Булгакова В.М., Завгороднього А.Ф., Куліша В.С., Ясенецького В.А., Панченка А.Н., Желіговського В.А., Бєлокопитова А.В., Хайліса Г.А. та інших вчених.

Модель взаємодії частинок ґрунту з прутком котка будуємо з використанням закону збереження імпульсу сили при почерговій дискретній взаємодії матеріальних точок з прутком. В момент входження прутка в розпушуючий шар ґрунту, сукупність частинок ґрунту масою , розміщених по довжині прутка, замінюємо приведеною масою .

При русі котка в результаті взаємодії частинки ґрунту з прутком, вона набуває відцентрового прискорення. При такому виборі моделі в русі котка спостерігаються два режими: перехідний та встановлений. Для покращання якості обробітку поверхневого шару ґрунту необхідно збільшити кількість грудочок (фракцій ґрунту), що взаємодіють із прутками котка. Тому нами розглядалися моделі взаємодії прямолінійного, гвинтового та синусоїдного прутка з ґрунтом.

Рис.2. Схема взаємодії прямолінійного прутка з ґрунтом | Розглянемо матема-тичну модель взаємодії прямолінійного прутка з поверхнею ґрунту (рис. 2).

Визначимо середню силу удару прутка об частинку ґрунту за допомогою залежності:

, (1)

де m - маса частинки ґрунту;- час взаємодії; V - поступальна швид-кість.

Врахувавши вищенаведені співвідношення запишемо формулу кутової швидкості котка, яку він набуває після і-того удару:

, (2)

де V – поступальна швидкість котка; R – радіус котка; m – маса частинки ґрунту; J – момент інерції котка; і – кількість ударів прутка об грунт.

Час досягнення граничної швидкості при якому настає установлений режим руху котка визначається залежністю:

, (3)

де К – кількість ударів до настання установленого режиму руху котка; ? - кутова швидкість котка; n – коефіцієнт інерції перехідного процесу; і – кількість ударів прутка об грунт.

Розглянемо математичну модель взаємодії гвинтового прутка з поверхнею ґрунту (рис. 3).

Запишемо співвідношення, що визначає силу на коткові, яка забезпечує рівномірне обертання котка:

, (4)

де R – радіус котка; В – ширина захвату прутка; NТ – умовне рівномірне навантаження.

Рис. 3. Взаємодія гвинтового прутка з частинкою ґрунтую | Для котка з прутками у формі гвинтової лінії прутки мають нахил до осі під кутом . Середню силу удару гвинтового прутка об частинку ґрунту можна визначити за формулою:

, (5)

де m – маса частинки ґрунту;

V – поступальна швидкість; - час взаємодії.

В загальному випадку можна зміну кутової швидкості записати у вигляді:

, (6)

де m – маса частинки ґрунту; R – радіус котка; J – момент інерції котка; v – поступальна швидкість котка; - лінійна швидкість обертового руху прутка.

Якщо вважати, що в момент удару один кінець робочого елемента (прутка) знаходиться у самому найнижчому положенні, тобто заглиблений у поверхневий шар ґрунту, то другий його кінець знаходитиметься по відношенню до першого на висоті, що визначається за формулою:

, (7)

де R – радіус котка; В – ширина захвату прутка.

Тривалість перехідного процесу для котка з одним робочим елементом визначається за формулою:

(8)

де К – кількість ударів до настання установленого режиму руху котка; n – коефіцієнт інерції перехідного процесу; і – кількість ударів прутка об грунт; R – радіус котка; v – поступальна швидкість котка.

Відстань будь якої точки на гвинтовій лінії від початку координат визначатимемо параметром (відстань по довжині прутка). Тоді шукані параметричні рівняння в установленому режимі руху котка можна подати у вигляді:

(9)

Розглядаючи математичну модель взаємодії з ґрунтом котка із прутками у формі синусоїди матимемо: R - радіус котка; В - ширина котка; ? - кут нахилу осі синусоїди, - відстань довжини прутка; Н – ширина робочої зони, .

Вісь синусоїди є гвинтовою віссю для бокової поверхні циліндричного котка. Рівняння вісі синусоїди запишемо у вигляді:

(10)

Рівняння робочого елемента прутка у вигляді гвинтової синусоїди в системі координат котка має вигляд:

; ;

(11)

Довжина синусоїди з двома хвилями (періодами) визначається залежністю:

, (12)

де Н – ширина робочої зони; а – амплітуда прутка; m – кількість періодів; - відстань довжини прутка; - кут нахилу гвинтової лінії.

Довжина лінії завантаження визначається за допомогою формули:

, (13) де s – довжина синусоїди; mz – кількість періодів.

Площу завантаження синусоїдного прутка визначають за допомогою рівняння:

(14) де В – ширина котка; а – амплітуда прутка.

Положення синусоїдного прутка на розгортці циліндра показано на рисунку 4.

Рис. 4. Розгортка натуральної моделі

синусоїдного прутка

Рівняння перехідного процесу для кутової швидкості котка із прутками у формі синусоїди:

, (15)

де m – маса частинки ґрунту; R – радіус котка; J – момент інерції котка;

- приведений кут нахилу дотичної до гвинтової лінії, .

Розглянемо динамічну взаємодію фракцій ґрунту із прутками в установленому режимі руху котка (рис. 5).

5. Схема сил, що діють на частинку ґрунту | Рівняння, яке дасть можливість визначити граничний кут відлипання завантажених на робочий елемент (пруток) частинок ґрунту, тобто рівняння перехідного процесу:

, (16)

де - прискорення вільного падіння; - коефіцієнт тертя; V - поступальна швидкість котка; R – радіус котка; - граничний кут відлипання.

На основі рівняння (16) при підстановці числових значень із використанням ПЕОМ отримано графічні залежності (рис. 6).

Рис. 6. Залежність граничного кута відлипання від коефіцієнта тертя , поступальної швидкості та радіуса котка : де - крива залежності від коефіцієнта тертя ; - від поступальної швидкості - від радіуса котка .

Рівняння траєкторії руху фракції ґрунту після відриву від прутка, що рухається по параболі, запишемо у параметричному вигляді:

(17)

де V – поступальна швидкість котка; R – радіус котка; t – час попадання фракції ґрунту на пруток; t1 – час покидання фракцією ґрунту прутка; - прискорення вільного падіння.

На рис. 7 приведені графіки траєкторій руху частинки ґрунту при відриві від прутка котка для чотирьох значень коефіцієнта тертя . Контур котка показаний на момент відриву частинок ґрунту.

На основі складених аналітичних залежностей при підстановці числових значень із використанням ПЕОМ теоретично досліджено вплив кутової швидкості котка та форми прутка на якість кришення ґрунту К (Рис 8).

Рис. 7. Траєкторії руху частинок ґрунту |

Рис. 8. Залежність кришення ґрунту К, від кутової швидкості котка : 1 - коток із прямими у формі синусоїди; 2 – коток із гвинтовими прутками; 3 – коток із прямими прутками.

На основі теоретичних досліджень розроблено методику інженерного розрахунку конструктивно – технологічних параметрів котка із синусоїдними прутками. Таким чином, необхідно розглянути схему розміщення синусоїдних прутків на коткові з метою визначення його основних геометричних параметрів (рис.9).

Рис.9. Схема розміщення робочих органів котка

Виходячи із умови защемлення частинки ґрунту поверхнею прутка, визначаємо діаметр котка із співвідношення:

, (18)

де діаметр максимальної частинки ґрунту, мм;

кут відповідно внутрішнього і зовнішнього тертя ґрунту, град.

Відстань між прутками виразимо через діаметр котка і кількість прутків:

звідки (19)

де відстань між прутками, мм; діаметр котка, мм; кількість прутків, шт;кут між прямими, що проходять відповідно через центр котка і центри двох сусідніх прутків, град.

Кут нахилу прутка визначається за формулою:

(20)

де - кут повороту, град; B - ширина зони обробітку, мм; радіус котка, мм.

Розрахунок ширини котка та його радіуса проводимо через відносний показник , який визначаємо за формулою:

(21)

Таким чином, виходячи із приведених рівнянь отримано наступні рекомендовані параметри пруткового котка, які в подальших теоретичних та експериментальних дослідженнях необхідно уточнити: діаметр котка D=250...300 мм; відстань між прутками Lо=60…80 мм, кут нахилу прутка = 25…35о.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму досліджень, описано експериментальну комбіновану установку, вимірювальні прилади, обладнання, методику проведення модельних, лабораторно - польових досліджень та обробки експериментальних даних.

Для визначення оптимальних параметрів і режимів роботи експериментальної комбінованої установки для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію, до складу якої входять пруткові котки, у ґрунтовому каналі ІЦБ проведені лабораторні дослідження, у ході яких визначали вплив діаметра котка d, кількості прутків n, кута нахилу прутків Y, глибини ходу розпушуючої лапи Н, поступальної швидкості експериментальної установки V на якість кришення ґрунту та тяговий опір. Оптимальні значення параметрів і режимів роботи визначали на основі серії однофакторних та багатофакторних експериментів. Досліди проводили за ОЦКП четвертого порядку на спеціально виготовленій експериментальній комбінованій установці (рис. 10).

Рис. 10. Експериментальна комбінована установка: |

1- рама;

2 - вирівнювач;

3 - плоскоріжуча лапа;

4 - прутковий коток;

5 - опорне колесо;

6 - висівний апарат.

Після проходу експериментальної комбінованої установки проводили заміри показників якості її роботи.

Для проведення польових досліджень запропоновано схему комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію (рис.11).

Рис. 11. Схема комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту

та сівби насіння цикорію

Порівняльну агротехнічну оцінку роботи експериментальної комбінованої машини, обладнаної котками із синусоїдними прутками, із серійними машинами для передпосівного обробітку ґрунту і сівби проводили у дослідному господарстві “Саливінківське” ІЦБ УААН згідно ОСТ 70.5.4-84 та СТ СЄВ 5630-86.

Грунтово – кліматичні умови дослідного господарства характерні для основної зони вирощування цикорію. Ґрунт – чорнозем малогумусний середньо суглинковий. Погодні умови за кількістю тепла, вологи та розподілом їх протягом вегетації цикорію забезпечували нормальний ріст і розвиток рослин, хоч і відрізнялись у роки проведення досліджень. Досліди проводили в зерно – буряковій сівозміні. Агротехніка була загальноприйнятою для вирощування цикорію.

За результатами експерименту комбінованої машини розраховували математичну модель процесу сівби за ОЦКП четвертого порядку. Вихідними факторами були діаметр котка (Х1), поступальна швидкість машини (Х2), глибина розпушування (Х3), кількість прутків (Х4). На виході фіксували фракційний склад ґрунту, глибину загортання насіння, польову схожість насіння, густоту рослин та урожайність коренеплодів, які визначали за загальноприйнятою методикою, а отримані результати опрацьовували методами дисперсійного та регресивного аналізу.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” наведено дані модельних досліджень, за результатами яких побудовано модель поверхневого шару ґрунту для сівби насіння цикорію кореневого. Наведено експериментальні дані вивчення процесу кришення ґрунту, залежності тягового опору та польової схожості насіння цикорію від конструктивно – технологічних параметрів. Експериментальні дослідження проводили з використанням комбінованої установки, експериментальної комбінованої машини та серійних машин.

Для визначення впливу конструктивно – технологічних параметрів котка із синусоїдними прутками на якість кришення ґрунту були проведені лабораторні дослідження в ґрунтовому каналі.

При вологості ґрунту W = 21% та поступальній швидкості лабораторної установки Vп = 2,0 м/с значення кришення ґрунту при кількості прутків 8...12 штук і діаметрі котка 0,2...0,4 м відповідно становить 85,5...92,4 %. Найкращий показник було досягнуто при діаметрі котка d = 0,25 м та кількості прутків n = 12 шт, де ступінь кришення ґрунту становив 92,6 % (рис. 12а).

а) |

б)

Рис.12. Залежність ступеня кришення ґрунту Кк :

а) - від діаметра котка d; б) - від кута нахилу прутка Yн.

1- n = 12 прутків; 2 – n = 10 прутків; 3 – n = 8 прутків.

Найкращий показник залежності ступеня кришення ґрунту від кута нахилу прутків отримано при Y = 30о (рис. 12 б). При кількості прутків n = 12 шт, К = 92,4 %. Із збільшенням поступальної швидкості Vп від 1,0 до 2,25 м/с ступінь кришення ґрунту збільшується і для n = 12 штук відповідно становить 88,3...92,4 % (рис.13 а). Також найкращих показників якості роботи було досягнуто при глибині розпушування ґрунту Н =3 см та кількості прутків n =12 шт, поступальна швидкість лабораторної установки Vп = 2,0 м/с, де ступінь кришення ґрунту Кк становила 91,2 % (рис. 13 б).

а) |

б)

Рис.13. Залежність ступеня кришення ґрунту Кк :

а) - від поступальної швидкості Vп; б) - від глибини обробітку Н.

1- n = 12 прутків; 2 – n = 10 прутків; 3 – n = 8 прутків.

Провівши регресивний аналіз результатів з оптимізації конструктив-них параметрів котка із прутками синусоїдної форми (діаметр котка d, кут нахилу прутка Y, кількість прутків n, швидкість установки V) та якості кришення ґрунту було отримано рівняння регресії:

Кк=3,7904+438,6255d-0,5777Y+6,76617N+4,9649V+31,332d V+

1,00827dY-28,04dN+0,0586VY+0,02917YN-464,8d2-4,104 V2-0,00276Y2 (22)

Дослідження рівняння (22) (рис.14) на екстремум дозволило остаточно встано- вити Y=30о, n=10шт, d=0,25м, V=1,75м/с.

За критерій оптимізації енергоємності енергетичного процесу був прийнятий показник тягового опору комбінованої установки. В результаті обробки експериментальних даних отримали рівняння регресії:

Rт=5,2091+0,748d+0,1262Н+0,048V-0,9724 n+0,102VН+0,1262Vn-

0,38V2-0,048 Н2+0,036n2 (23)

Дослідивши рівняння регресії (23) (рис. 15), встановили, що мінімальне значення питомої енергоємності (тягового опору) процесу кришення ґрунту досягається за Н=2...6 см, V=1,3...2,0 м/с, Y=30...35о, n=10 шт.

Рис.14. Кришення ґрунту залежно від параметрів котка |

15. Тяговий опір експериментальної установки залежно від режимів роботи

Після визначення взаємного впливу конструктивно – технологічних параметрів на якість кришення ґрунту і тяговий опір експериментальної комбінованої машини визначали показники польової схожості насіння цикорію кореневого. Отримані експериментальні дані польової схожості насіння цикорію кореневого дозволили отримати рівняння регресії:

Кс=-106,1208- 1,0777Y+ 371,5093d- 11,987v+ 32,2454n+

97,96dv+ 2,4597dY+ 0,1476vY+ 1,4073vn- 1089,2d2- 9,16v2- 1,753n2 (24)

Дослідивши рівняння регресії (24) встановлено, що найкраща польова схожість насіння цикорію кореневого досягається при швидкості руху машини V=1,75 м/с, куті нахилу прутків Y=30о, кількості прутків n=10 шт, діаметрі котка d=0,25 м, глибині розпушування Н=3...4 см, глибині загортання насіння h=1,0...1,5 см.

Оцінка впливу глибини передпосівного обробітку ґрунту і загортання насіння цикорію кореневого на його польову схожість та урожайність коренеплодів при оптимальних параметрах котка із синусоїдними прутками показано в таблиці 2.

Таблиця 2.

Вплив глибини передпосівного обробітку ґрунту і глибини загортання насіння

на агротехнічні показники роботи комбінованої машини

Показники | Глибина передпосівного обробітку ґрунту, см

2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0

Глибина загортання насіння, см

Середня польова схожість насіння, %

Густота рослин на початок збирання, тис/га

Sp, см

n, шт /м

VSp, %

Площа живлення, см2

Середня маса коренеплоду, Р, г

Урожайність, ц/га | 1,0

76,4

204,4

10,9

9,2

65,4

490,5

195

398,6 | 1,5

74,8

200,0

11,1

9,0

61,2

499,5

205

410 | 2,0

68,2

177,8

12,5

8,0

56,7

562,5

215

382,3 | 2,5

56,9

140,0

15,9

6,3

52,8

715,5

261

365,4 | 3,0

48,7

113,3

19,6

5,1

50,4

882,0

306

346,7

Примітка: Sp, n, VSp - середня відстань між рослинами; кількість рослин на одному погонному метрі рядка; коефіцієнт варіації відстані між рослинами.

Дані таблиці 2 показують, що при застосуванні експериментальної установки глибина передпосівного обробітку ґрунту значно впливає на польову схожість насіння цикорію кореневого. Так, найбільша польова схожість насіння була 76,4 % при глибині обробітку ґрунту 2 см, а найменша 48,7 % при глибині обробітку 6 см, глибина загортання насіння становила відповідно 1 та 3 сантиметри. Найвища урожайність коренеплодів цикорію кореневого була при глибині обробітку 3 см та глибині загортання насіння 1,5 см і становила 410 ц/га.

У п’ятому розділі “Інженерне проектування і економічна ефективність від використання комбінованої машини” наведено розрахунки показників ефективності застосування нового способу передпосівного обробітку ґрунту, комбінованої машини для його виконання і проведення сівби насіння цикорію. Зокрема встановлено, що при застосуванні комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію річний економічний ефект становить 72,58 грн/га. Річний економічний ефект від застосування однієї комбінованої машини становить 3629 грн (16703 МДж).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблені теоретичні і експериментальні умови удосконалення технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію експериментальною комбінованою машиною з поєднанням операцій за один її прохід у такій послідовності: вирівнювання поверхні ґрунту, розпушування його на глибину, яка в 2...3 рази перевищує глибину загортання насіння, подрібнення грудочок з остаточним вирівнюванням поверхні ґрунту, ущільнення обробленого шару ґрунту до товщини, що не перевищує глибини загортання насіння, та проведення сівби на глибину 1,0...1,5 см. Обґрунтовані основні параметри і режими роботи експериментальної комбінованої машини.

2. На основі результатів модельних дослідів з визначення оптимальних умов для проростання насіння цикорію, побудована орієнтовна модель верхнього шару ґрунту (вологість ґрунту близько 20 %; твердість ґрунту – 1,0...1,2 мПа; наявність в шарі загортання насіння фракцій ґрунту розміром 0,25...10,0 мм не менше 90 %) та встановлені оптимальні параметри глибини передпосівного обробітку ґрунту Нп = 3 см, глибини загортання насіння hн = 1,0...1,5 см і запропоновано новий спосіб передпосівного обробітку ґрунту та сівби насіння цикорію з поєднанням операцій.

3. Встановлені залежності конструктивно - технологічних параметрів комбінованої машини, визначені раціональні конструктивні параметри її робочих органів: ширина захвату вирівнювача Вв = 0,3 м; плоскорізальної лапи Вл = 0,185 м; ширина пруткового котка Вк = 0,25 м; регульовані параметри – відстань між вирівнювачем і плоскорізальною лапою L1 = 0,15 м; між лапою і прутковим котком L2 = 0,48 м; між прутковим котком і прикочувальним колесом L3 = 0,47 м.

4. За результатами аналізу розробленої математичної моделі процесу взаємодії прутків котка різної конфігурації з ґрунтом, визначення умов переміщення частинки ґрунту від взаємодії із прутками різної форми встановлені оптимальні параметри котка, прутки якого виготовлені у формі синусоїди із закріпленням їх по гвинтовій лінії (діаметр котка dк = 0,24 м, кількість прутків n = 10 шт, кут нахилу прутків Y = 30 град), що дало можливість збільшити площу контакту прутків з ґрунтом і забезпечити більш інтенсивне його розпушування та на підставі цього отримати фракційний склад ґрунту найбільш придатний для проростання насіння цикорію.

5. Застосування експериментальної комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту в польових умовах дає можливість підвищити якість обробітку ґрунту в 1,2...1,5 разу порівняно із агрегатом АРВ-8.1-02, забезпечує необхідну (оптимальну) щільність ґрунту в зоні загортання насіння цикорію близько 1,2 г/см3, наявність агротехнічно - корисних частинок ґрунту (0,25...10 мм) – 91%.

6. Виконання технологічних операцій передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію за один прохід експериментальної комбінованої машини дає можливість за рахунок отримання фракційного складу ґрунту, найбільш придатного для проростання насіння цикорію кореневого, підвищити його польову схожість на 8...10%, збільшити врожайність коренеплодів на 10...15 % (від 30 до 45 т/га).

7. Економічна і енергетична оцінка запропонованого технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту з поєднанням операцій на базі комбінованої машини показує, що затрати праці порівняно з одноопераційними машинами на передпосівному обробітку ґрунту знижуються в 1,4 разу (на 40 %); витрати пального – на 20 %; приведені витрати і питомі капіталовкладення – на 48 %. Загальні витрати сукупної енергії знижуються відповідно з 435,12 МДж/га до 288,12 МДж/га або на 37,2 %, коефіцієнт енергетичної ефективності складає 0,66 при звичайному технологічному процесі передпосівного обробітку ґрунту.

8. На основі агротехнічних і техніко - економічних показників, визначених при проведені лабораторно – польових досліджень, розроблено вихідні вимоги на комбіновану машину для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію кореневого, які є основою для проведення дослідно-конструкторських робіт (ДКР) і серійного їх виробництва.

9. Впровадження запропонованого способу передпосівного обробітку ґрунту і комбінованої машини для його виконання і проведення сівби дозволяє заощадити 72,58 грн/га, річний економічний ефект на одну машину при цьому становить 3629 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Ткач О.В. Особливості передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий // Збірник наукових праць Національного аграрного університету „Механізація сільськогосподарського виробництва”. – Том. 7- К.: НАУ, 2000 .- С. 49-52.

2. Ткач О.В., Токар А.М., Бендера І.М. Динаміка перехідних процесів та усталених режимів роботи гвинтового коткового розпушувача ґрунту // Збірник наукових праць Національного аграрного університету „Механізація сільськогосподарського виробництва”. – Том. 8 - К.: НАУ, 2000 .- С. 214 - 219 (здобувачем запропонована модель гвинтового коткового розпушувача ґрунту).

3. Бендера І.М., Ткач О.В., Токар А.М. Дослідження роботи коткового розпушувача ґрунту // Збірник наукових статей Луцького державного технічного університету „Сільськогосподарські машини”. – Випуск 6 – Луцьк, 2000. – С. 3 – 7 (здобувачем досліджено взаємодію котка з ґрунтом).

4. Бендера І.М., Токар А.М., Ткач О.В. Дослідження режимів роботи котків з прямолінійними та гвинтовими розпушувачами ґрунту //Збірник наукових праць Подільської державної аграрно – технічної академії. – Вип. 8. – Кам'янець – Подільський, 2000. – С. 421 – 425 (здобувачем досліджено режими роботи котків з прямолінійними розпушувачами).

5. Ткач О.В. Використання комбінованих агрегатів для передпосівного обробітку ґрунту // Збірник наукових праць Інституту цукрових буряків „ Наукові основи виробництва цукрових буряків та інших культур бурякової сівозміни в сучасних економічних та екологічних умовах” – Книга 2. – К.: ІЦБ, 1998.– С.114 – 119.

6. Борисюк В.О., Маковецький К.М., Ткач О.В. Взаємозв’язок між масою коренеплодів цикорію кореневого і вмістом у них інуліну // Збірник наукових праць Інституту цукрових буряків . – Випуск 2. – К.: ІЦБ, 2000. – С. 152 -157 (здобувачем визначені розмірно – масові характеристики коренеплодів).

7. Ткач О. В. Передпосівний обробіток ґрунту під цикорій кореневий // Цукрові буряки . – 1999. - № 3. – С. 14-15.

8. Курило В.Л., Зуєв М.М., Ткач О.В. Застосування технічних засобів на передпосівному обробітку ґрунту і сівбі // Цукрові буряки. – 2000. - № 3. – С. 8 – 9 (здобувачем проведений аналіз технічних засобів для передпосівного обробітку ґрунту).

9. Зуєв М.М, Курило В.Л., Ткач О.В. Передпосівний обробіток ґрунту під цикорій // Цукрові буряки. – 2004. - № 3. – С. 20 – 21 (здобувачем проведені лабораторно - польові досліди та аналіз отриманих результатів).

10. Бендера І.М., Токар А.М., Ткач О.В. Дослідження динаміки перехідних процесів та усталених режимів роботи коткового розпушувача ґрунту з прямолінійними деформаторами //Тези Міжнародного наукового конгресу молодих вчених та студентів „Здоров’я села – здоров’я держави”. – Львів: ЛАДУ. – 2000. – С. 37-38 (здобувачем досліджено установлений режим роботи котка).

11. Ткач О.В. Розробка агрегату для передпосівного обробітку ґрунту та посіву цикорію кореневого // Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету. – Тернопіль: ТДТУ. – 2003. – С. 97.

12. Патент 33770 А. Україна, МКИ А01В49/06 Пристрій для передпосівного обробітку ґрунту та посіву / Зуєв М. М., Курило В. Л., Ткач О. В., Миколюк Ю. В. (Україна). - № 99031816; Заявлено 31.03.1999; Опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1 (здобувачем запропонована конструктивно – технологічна схема комбінованого пристрою).

13. Патент 41525 А. Україна, МКИ А01В79/00. Спосіб передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий / Борисюк В. О., Зуєв М. М., Курило В. Л., Ткач О. В., Миколюк Ю. В. (Україна). - № 99020621; Заявлено 03.02.1999; Опубл. 17.09.2001, Бюл. № 8 (здобувачем запропоновано поєднання операцій та їх пропорційне виконання по глибині).

АНОТАЦІЯ

Ткач О.В. Удосконалення технологічного процесу та розробка технічного засобу для передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий. – Рукопис.

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

Дисертацію присвячено питанням підвищення якості виконання технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту під цикорій кореневий. У роботі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу роботи комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби, обґрунтовано її раціональні конструктивно – технологічні показники, та розраховано раціональні конструктивні параметри котка із синусоїдними прутками. Застосування котків із синусоїдними прутками в складі комбінованих машин забезпечує кращу якість обробітку ґрунту в зоні висіву насіння, що дозволяє підвищити польову схожість і дружність сходів насіння. Проведено порівняльні лабораторні дослідження котків із різною формою прутків, а також лабораторно – польові дослідження якості роботи експериментальної комбінованої машини для передпосівного обробітку ґрунту і сівби насіння цикорію, обладнаною котками із синусоїдними прутками в порівняно із серійними машинами, виконано розрахунок економічної ефективності.

Ключові слова: грунт, передпосівний обробіток, розпушування, кришення, коток, синусоїдний пруток, параметри,