ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

КОЗАЧЕНКО ОЛЕКСІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 631.31

РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ В СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ АГРЕГАТАХ ПРИ ВИКОНАННІ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОПЕРАЦІЙ У РОСЛИННИЦТВІ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка, Міністерство аграрної політики України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, професор кафедри технічної експлуатації машин та устаткування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Національний аграрний університет, директор НДІ екобіотехнологій і біотехніки;

доктор технічних наук, заслужений працівник освіти України, професор Рибак Тимофій Іванович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування, проректор з навчально-науково-виробничих комплексів і зовнішньої університетської діяльності;

доктор технічних наук, професор Коломієць Володимир Володимирович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, професор кафедри деталей машин і підйомно-транспортних машин.

Провідна установа: Луганський національний аграрний університет,

Міністерство аграрної політики, м. Луганськ.

Захист відбудеться „21” 09 2006 р о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національного технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

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

Автореферат розісланий „21” 08 2006 р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Д.Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасне сільськогосподарське виробництво передбачає використання великої кількості паливно-енергетичних та інших ресурсів. При цьому найбільш енергоємною галуззю є рослинництво, де тільки на обробіток ґрунту витрачається 30 – 40% усієї енергії, що застосовується у галузі. Сучасні засоби механізації, що реалізують тягову концепцію при виконанні технологічних операцій у рослинництві, викликають переущільнення ґрунту і, як наслідок, прогресуюче зниження його родючості, збільшення опору грунтообробки та витрати палива.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з дисертаційної роботи проводилися у відповідності з темою №30/2-96 ”Підвищення ефективності і роботоздатності робочих органів бурякозбиральних машин”, що виконувалася згідно з господарчим договором з Тернопільським комбайновим заводом. Напрямки досліджень є також складовою частиною регіональної програми „Найважливіші проблеми АПК на 1996 – 2005 роки”, і зареєстрованої в УкрІНТЕІ під № 010 U 007276.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є ресурсозбереження в технологіях вирощування сільськогосподарських культур шляхом удосконалення процесу взаємодії енергозасобу і робочих машин у напрямку зменшення коливань швидкості руху агрегатів, тягового опору, підвищення їх річного напрацювання, а також удосконалення енергетичної оцінки використання комплексів машин.

Об’єкт досліджень – засоби механізації і технології рослинництва, процеси руху сільськогосподарських агрегатів при виконанні технологічних операцій, зв’язок процесів грунтообробки з конструктивними параметрами машин.

Предмет досліджень – ресурсозбереження у сільськогосподарських агрегатах при виконанні технологічних операцій у рослинництві.

Методи досліджень – для з’ясування технологічних процесів роботи сільськогосподарських агрегатів і знарядь та визначення витрат енергії застосовані методи математичного аналізу, теоретичної механіки, теорії механізмів і машин, теорії імовірності, математичної статистики та теорії похибок, теорії надійності. Експериментальні дослідження проведені з використанням галузевих та запропонованих методик із застосуванням сучасних засобів та запропонованих технічних рішень

Наукова новизна одержаних результатів: –

вперше розроблено математичну модель взаємозв’язку енергетичного засобу і робочих машин, дослідження якої дозволяє визначити вимоги до його параметрів з точки зору зменшення коливань робочої швидкості агрегату;–

отримала подальший розвиток теорія визначення коефіцієнта корисної дії та його складових – механічного коефіцієнта корисної дії та коефіцієнта технічної досконалості;–

отримала подальший розвиток теорія визначення сезонного напрацювання машин з врахуванням надійності роботи і коливань їх робочої швидкості;–

отримала подальший розвиток теорія визначення ефективності роботи агрегатів в умовах мостового землеробства;–

вперше теоретично обґрунтовано похибку при експериментальному визначенні потужностей, що використовуються, на технологічні процеси ґрунтообробних машин з точки зору реєстрації робочих зусиль і швидкостей за часом і пройденим шляхом, коли зусилля і швидкість є незалежними і залежними величинами.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці експериментального методу визначення питомої потужності від робочої швидкості з мінімальною похибкою; розроблено нові робочі органи машин із зменшеним робочим опором та підвищеною функціональною здатністю, а також енергетично-функціональний модуль для виконання технологічних процесів у рослинництві з використанням елементів мостового землеробства.

Практичне значення має підтвердження методу визначення технічного рівня сільськогосподарських машин за енергетичним еквівалентом та коефіцієнтом ущільнюючої дії ходової системи на грунт .

На основі виконаних досліджень розроблено нові конструкції сільськогосподарських агрегатів і їх вузлів для впровадження у виробництво, які прийняті ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”:

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем отримані особисто. Результатом стали: навчальний посібник 1, статті у фахових виданнях 2 – 39, патенти України на винаходи 40 – 45.

Апробація результатів дисертації. Основні результаті досліджень, що включені в дисертаційну роботу, доповідалися та отримали позитивну оцінку на науково-практичних конференціях Харківського державного технічного університету сільського господарства (1996 – 2005 рр.) та міжнародних науково-практичних конференціях.

Публікації. Основні результати досліджень за темою дисертації опубліковані в навчальному посібнику, 37 наукових статтях (19 без співавторів), 6 патентах України на винахід (3 без співавторів).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 401 найменування, 20 з яких іноземної мовою, та додатків. Повний обсяг дисертації викладено на 386 сторінках комп’ютерного тексту (основна частина 316 сторінок), містить 39 таблиць, 67 рисунків і додатків на 73 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми ресурсозбереження в сільськогосподарських агрегатах, визначено мету і завдання досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі „Стан проблеми ресурсозбереження в сільськогосподарських агрегатах і завдання дослідження” на основі аналізу розглянутих науково-дослідних робіт та патентів встановлено таке. Реальний рух сільськогосподарського агрегату при виконанні функцій призначення має коливний характер відносно робочої швидкості, що негативно впливає на якість роботи і призводить до підвищення витрат палива.

Проаналізовано існуючі шляхи розвитку сільськогосподарської техніки, серед яких можна виділити такі. Найбільш поширений метод полягає в обгрунтуванні параметрів робочих органів при мінімізації робочого опору в межах задовільної якості виконання технологічного процесу. В загальний робочий опір сільськогосподарських агрегатів входить опір на перекочування, який досягає в деяких випадках до 50 % від загального. Тому другим найважливішим напрямком є зниження цього опору за рахунок використання елементів мостового землеробства.

На основі проведеного аналізу стану проблеми сформульовані завдання дослідження.

У другому розділі „Теоретичний аналіз руху сільськогосподарських агрегатів при виконанні технологічних операцій” встановлено закономірності руху агрегатів під дією змінних рушійної сили і сили опору в стійкому і коливному швидкісних режимах на прикладі орного агрегату, який має одну з найбільших амплітуду коливань опору. Рух агрегату розглянуто як модель, що рухається з постійною швидкістю при , і змінюється, коли сили опору зростають за часом на величину згідно з законом:

, (1)

де – частота зміни опору.

Використовуючи теорію визначення похибки функції внаслідок невизначеності аргументів для опору плуга, з раціональної формули В.П.Горячкіна отримано:

(2)

де – сила тяжіння плуга; – відповідно максимальні відхилення від середнього значення коефіцієнта тертя та питомого опору грунту; глибини і ширини пласта; швидкісного коефіцієнта і швидкості руху агрегату.

Для вирішення задачі прийнято, що також змінюється за законом (1), але має запізнення за часом , а максимальне значення пов’язано з лінійною залежністю:

, (3)

де – коефіцієнт реагування енергетичного засобу на зміну сил опору.

Враховуючи (1) і (3), складено диференційне рівняння руху агрегату масою по осі , після інтегрування якого отримано закономірності його переміщення і швидкості руху:

(4)

які наведено на рис. 1, 2.

Рис. 1. Залежності пройденого шляху і швидкості руху за часом при

Рис. 2. Залежності швидкості руху агрегату від часу запізнення при значеннях коефіцієнта реагування енергетичного засобу на зміну сил опору:

У третьому розділі „Дослідження витрат механічної енергії і палива на виконання технологічних операцій” наведено існуючі показники, їх зміну, залежно від робочої швидкості та обґрунтовано існування їх мінімального значення. Для цього питому витрату механічної енергії представлено у вигляді:

, (5)

де , – функції, що визначають витрати енергії на технологічну операцію, а також залежність продуктивності від робочої швидкості .

Узагальнюючи відомі залежності потужності від швидкості руху , її представлено у вигляді степеневого ряду, а залежить від лінійно:

(6)

де , , , , – постійні коефіцієнти.

З урахуванням (6):

, (7)

і має три складові (рис. 3): перша обернено пропорційна швидкості; друга – не залежить, а третя – істотно збільшується при збільшенні швидкості руху. Функція має мінімум при швидкості , яка визначається рівністю нулю похідної від неї і входить до виразу:

. (8)

Отримане кубічне рівняння розв’язано за допомогою формули Кордано. Після заміни маємо:

, (9)

; . (10)

Враховуючи значення дискримінанта , отримано значення робочої швидкості агрегату

(11)

Рис. 3. Залежності питомої енергоємності від швидкості руху агрегату.

За аналогічною методикою, з використанням даних тягових характеристик тракторів, отримано формулу витрат палива на гектар:

, (12)

З формули (12) випливає значення раціональної робочої швидкості агрегату при мінімумі погектарних витрат палива:

, (13)

яка свідчить про її наявність тільки завдяки величині . Із порівняння витрат палива і затрат енергії слідує, що вони відображають різні сторони одного і того ж процесу і підтверджують теоретичні положення про витрати питомої енергії (5).

У розділі також наведено аналіз методів експериментального визначення потужності за часом і пройденим шляхом, підтверджено різницю у визначенні даних. Отримано похибку цієї різниці від реального коливання робочої швидкості :

, (14)

з якої визначається необхідність реєстрації часу або пройденого шляху.

У четвертому розділі „Теоретичне обґрунтування складової робочого опору, яка пов’язана з тертям” розглянуто процес оранки та аналіз існуючої формули для визначення робочого опору. Встановлено, що за даними В.П.Горячкіна, сили тертя складають до 45 % загального значення сили опору і враховуються через силу тяжіння плуга і коефіцієнт .

Раціональність використання підведеної потужності визначається механічним коефіцієнтом корисної дії. Проведено дослідження математичної функції, що його визначає. Отримано формулу механічного коефіцієнта корисної дії від змін технологічних сил , сил тертя та вихідного значення ККД :

, (15)

; . (16)

Рис. 4. Залежності механічного коефіцієнта корисної дії від співвідношу вальних коефіцієнтів.

Виходячи з умови, що технологічний опір має однакове значення, а лише сили тертя є змінними, отримано формули для визначення ККД кожного робочого органа:

; (17)

. (18)

У п’ятому розділі "Теоретичні дослідження ресурсозбереження при використанні засобів механізації у рослинництві" обґрунтовано, що ресурсозбереження технологій вирощування сільськогосподарських культур визначається продуктивністю агрегатів, термінами виконання робіт і сезонним напрацюванням машин.

. (19)

Тоді імовірність події визначається як композиція випадкових залежних величин і :

, (20)

де параметри і дорівнюють:

(21)

Композиція цих розподілень дає нормальне розподілення:

, (22)

а співвідношення визначається при і таким виразом:

, (23)

Рис. 5. Залежності співвідношення (середнього сезонного напрацювання машини до середнього обсягу робіт) від .

, (24)

Рис. 6. Вплив коефіцієнтів варіації і на імовірність безвідмовної роботи .

Ефективність визначається у загальному вигляді як відношення:

, (25)

де ; – рушійні сили для подолання опору при переміщенні робочого органа по полю і по напрямних мостового механізму.

З урахуванням рушійної сили

(26)

де ; , (27)

а , – коефіцієнти тертя кочення по полю і по напрямних.

З урахуванням викладеного вище отримаємо:

, (28)

З урахуванням цього визначено ефективність запропонованого методу агрегатування з точки зору буксування:

, (29)

Рис. 7. Залежності ефективності зниження сил опору кочення від співвідношення рушійних сил по грунту і напрямних .

Рис. 8. Залежності ефективності зниження сил опору від співвідношення тиску робочого органа на грунт і напрямні .

Рис. 9. Залежності ефективності зниження буксування від п.

У шостому розділі „Експериментальні дослідження” наведено програму і методики проведення досліджень, та результати експериментів.

Дослідження впливу на тяговий опір плуга робочої швидкості проведено для однокорпусного плуга з шириною захвату 0,25 м, глибиною оранки 0,20 м, для інтервалу швидкості від 0,25 до 2,6 м/с. Для кожної швидкості прийнята шестикратна повторність. Кількість значень швидкості прийнято п’ять, згідно з рекомендаціями В.П.Горячкіна. За результатами експериментальних даних (табл.3) виконано дослідження запропонованих функціональних залежностей (табл. 4) тягового опору плуга від робочої швидкості .

Рис. 10. Залежності тягового опору Рис. 11. Залежності від

плуга від швидкості руху за складовими за складовими

Точка перегину має місце, коли перша похідна залежності (30) має мінімум:

(30)

Перша похідна має дві складові у вигляді експоненти та прямої лінії (рис. 11), яка є асимптотою при значному збільшенні швидкості. Точка перегину визначається рівнянням =0 і дорівнює:

. (31)

Експериментальні дані (рис. 12) вказують, що точка перегину розташована поблизу швидкості =0,5 м/с (точне значення розрахунків=0,645 м/с). Точність апроксимації оцінювалася середньою квадратичною похибкою, яка має найменше значення для запропонованої залежності (6), табл. 4.

Рис. 12. Експериментальна залежність опору плуга від швидкості руху

Для гусеничного трактора ДТ-75М з двигуном А-41 на оранці з плугом ПНД-4-35, за даними Р.М.Баширова, для (12) отримані такі коефіцієнти:

=3,710-3; =0,75103;=5 кг/год; =11533,7 Н;

кг/год.к.с; нс2/м2; =0,7.

Погектарна витрата палива (рис. 13) має мінімум при =2,08 м/с.

Рис. 13. Залежність погектарної витрати палива від робочої швидкості руху трактора ДТ-75М з плугом ПНД-4-35

Для колісного трактора Т30А-80 в агрегаті з плугом ПЛН-1-35 при оранці на глибину 0,2 м мінімальна витрата палива в інтервалі робочих швидкостей від 0,35 до 1,67 м/с складає 30,7 кг/га при швидкості руху 1,47 м/с.

Рис. 14. Розроблений механізм копіювання головок коренеплодів машини БМ-6А.

Рис. 15. Розроблений дисковий копач коренезбиральної машини КС-6Б.

Рис. 16. Розроблений робочий орган культиватора.

Рис. 17. Розроблений ніж гичкозбиральної машини БМ-6А із змінними ріжучими елементами.

У сьомому розділі „Практична реалізація і економічна ефективність результатів дослідження” на підставі виконаних досліджень представлено розроблений сільськогосподарський агрегат з елементами мостового землеробства 42 та стабілізатор корпусу плуга в агрегаті мостового землеробства 45.

Рис. 18. Розроблений гичко-коренезбиральний модуль для машин мостового землеробства 42.

Рис. 19. Розроблений стабілізатор корпусу плуга в агрегаті мостового землеробства 45.

Розрахунки економічної ефективності впровадження у виробництві елементів мостового землеробства показали, що їх застосування при вирощуванні цукрового буряку на площі 100 га дозволяє зменшити витрати полива на 11,1%, собівартість продукції – 13,4%, підвищити рівень рентабельності на 42,3%. Розрахункова економічна ефективність складає 44,4 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено наукову проблему ресурсозбереження при виконанні технологічних операцій у рослинництві шляхом удосконалення процесів взаємодії енергозасобу і робочих машин, енергетичної оцінки комплексів машин, збільшення сезонного напрацювання машин і використання елементів мостового землеробства. Основними результатами виконання досліджень є такі:

1. Аналіз проведених науково-дослідних робіт показав, що швидкість руху сільськогосподарських агрегатів має коливний характер, причиною якого є зміна характеристик грунту, рельєфу поля, технологічного навантаження та багато інших факторів. Нерівномірність руху агрегатів негативно впливає на якість роботи, призводить до підвищення витрат енергії на проведення технологічних процесів і сприяє зменшенню надійності роботи засобів механізації. Одним із основних параметрів зменшення коливань швидкості руху агрегатів є зниження тягового опору робочих органів шляхом удосконалення їх параметрів і використання елементів мостового землеробства.

2. Утримання стійкого руху агрегату при коливних значеннях тягового опору досягається регулюванням рушійної сили енергозасобу, яке характеризується його коефіцієнтом реагування, а також зменшенням опору агрегатів. Для орного агрегату раціональне значення коефіцієнта реагування енергозасобу дорівнює одиниці, що забезпечує коливання робочої швидкості з найменшою амплітудою біля заданого її значення.

Встановлено, що ефективність стабілізації руху грунтообробного агрегату забезпечується у випадку, коли зміна рушійної сили відбувається за законом сил опору при тому ж амплітудному значенні та часом запізнення до 1/6 періоду коливань.

3. Коливання агрегатів у вертикальних і горизонтальних площинах призводить до збільшення витрат механічної енергії. При вертикальних коливаннях за напрямком руху в межах до 0,3 м з кроком 10 м загальний шлях агрегату збільшується до 10% від прямолінійного, а також аналогічно для горизонтальних коливань агрегату.

4. Зниження витрат енергії на виконання технологічних операцій досягається раціональним вибором робочої швидкості руху, для визначення якої одержано формулу у вигляді рівняння (13).

Встановлено закономірність похибки виміру середньої потужності за часом і пройденим шляхом від рівня коливання робочої швидкості та рекомендовано враховувати різницю у вимірюванні середньої потужності за часом і пройденим шляхом при відхиленні робочої швидкості від середнього значення більше 10%.

5. Дослідженння показали, що за допомогою коефіцієнта корисної дії роботи сільськогосподарської машини неможливо оцінити втрати енергії на подолання сил тертя та її досконалість. Енергетичну ефективність машин і знарядь доцільно визначати за допомогою трьох коефіцієнтів: механічного коефіцієнта корисної дії (15), коефіцієнта технічної досконалості робочих органів та комплексного коефіцієнта корисної дії.

6. Зниження ресурсозабезпечення технологій вирощування сільськогосподарських культур досягається збільшенням сезонного напрацювання машин, величина якого з врахуванням гарантованого виконання обсягу робіт в задані агротехнічні терміни визначається рівнянням (24). Для отримання гарантованого результату з врахуванням надійності роботи агрегатів з імовірністю 0,9 необхідно, щоб їх напрацювання перевищувало обсяги робіт в 1,6 рази.

7. Збільшення напрацювання машин шляхом підвищення надійності роботи агрегатів забезпечується зростанням їх запасу міцності. Імовірність безвідмовної роботи агрегатів визначається за формулою (24).

При малих запасах міцності коефіцієнти варіації несучої здатності і навантаження суттєво впливають на імовірність безвідмовної роботи агрегатів. Збільшення запасу міцності до 2,5 зменшує вплив коливань навантаження, а коефіцієнт варіації несучої здатності збільшується.

8. Встановлено, що для стабілізації руху і зменшення діючих на сільськогосподарський агрегат сил та підвищення надійності доцільно використання машин з елементами мостового землеробства. При цьому разом зі зниженням опору на переміщення значно зменшуються сили тертя на поверхні робочих органів за рахунок їх перерозподілу на напрямні, де тертя ковзання замінюється на тертя кочення.

Зменшення до 19% тягового опору плуга досягається покриттям робочих поверхонь корпусів низькофрикційним матеріалом - фторопластом. Зменшення тягового опору серійного плуга до 32% і плуга з покриттям робочих поверхонь корпусів фторопластом до 55% забезпечує мостова схема використання агрегатів.

9. Механічний коефіцієнт корисної дії може бути визначений за формулами (17) і (18) через різницю у силах тертя і технологічного опору робочих органів.

Зменшення середньої квадратичної похибки при апроксимації тягового опору плуга від робочої швидкості за мостовою схемою агрегатування забезпечується при використанні одержаної залежності (6), табл. 4 у вигляді полінома другого степеня з введенням експоненти.

10. Зменшення сили тиску у 1,5 рази виключає вибивання з грунту і на 2 % зменшує кількість похилених коренеплодів гичкозбиральної машини БМ-6А.

Відсутність сколення головок коренеплодів забезпечується при верхньому розташуванні сегментів або фрагментів суцільнозубчастих ножів на основі сталі 65Г, при цьому їх ресурс збільшується у 3 рази.

Самозагострення дискових копачів забезпечується наплавкою леза змінної товщини з параметрами: величина заглиблень – 2,5 мм; крок заглиблень – 45 мм, при цьому ресурс диска копача збільшується до 1441 га, що фактично дорівнює нормативному терміну служби машини.

11. Технічний рівень комплексів машин для виконання робіт за витратою енергії та ущільнюючого впливу на грунт може оцінюватися енергетичним еквівалентом, що доказано статистичними даними на прикладі збирання цукрових буряків. Отримані дані підтверджують ефективність комплексу машин, до якого входять причіпні машини з використанням вивільненого енергетичного засобу на базі машини КС-6Б.

12. Впровадження у виробництво елементів мостового землеробства при вирощуванні цукрового буряку на площі 100 га дозволяє зменшити витрати палива на 11,1%, собівартість продукції – на 13,4%, підвищити рівень рентабельності на 42,3%. Розрахункова економічна ефективність складає 44,4 тис. грн.

Технічна документація розроблена разом з інститутом "Машин і систем", прийнята до впровадження у виробництво ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”.