Національний аграрний університет

Шатров Руслан Володимирович

УДК 631.31: 634

Обгрунтування параметрів висувної секції з вертикальною фрезою для обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Демидко Михайло Омелянович,

Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кор. УААН

Гуков Яків Серафимович

Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, директор

кандидат технічних наук,

Ганженко Олександр Миколайович,

Інститут цукрових буряків УААН, завідуючий сектором механізації процесів насінництва та селекції

Провідна установа – Харківський національний технічний університет сільського господарства Міністерства аграрної політики України, м. Харків

Захист відбудеться “28” лютого 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус № , ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус № 4, кімн. 41

Автореферат розісланий “25” січня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, проф. Д.Г.Войтюк

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У садах застосовують різні системи утримання ґрунту (чорний пар, задерніння ґрунту), але при будь-якій з них міжстовбурні смуги потребують обробітку. Для цього застосовують різні типи робочих органів: ножові, культиваторні лапи, дискові і фрезерні. Узагальнення вітчизняного та зарубіжного досвіду свідчить, що ножові робочі органи, якими укомплектовані серійні культиватори (КСГ-5, КСМ-5), не можуть працювати на ущільнених ґрунтах та при значній забур’яненості. Більш роботоздатними та універсальними є висувні секції з фрезерними робочими органами, які бувають горизонтальними та вертикальними. На сьогодні найбільш поширені фрези з горизонтальною віссю обертання, але вони мають відносно високу енергоємність і обумовлюють значне розпилювання ґрунту. Як робочий орган висувної секції горизонтальні фрези не забезпечують необхідної якості обробітку ґрунту в процесі обходження стовбура дерева. Тому за останні роки у світовому садівництві для обробітку міжстовбурних смуг почали використовувати фрези з вертикальною віссю обертання. Вони менш енергоємні, забезпечують високу рівномірність обробітку ґрунту по глибині і істотно не змінюють якості роботи при обходженні стовбурів дерев. Остання властивість особливо важлива в садах інтенсивного типу, оскільки при загущеній схемі посадки площа обробітку ґрунту в процесі обходження стовбура значна.

В Україні, а також у державах СНД висувні секції з вертикальними фрезами серійно не випускаються.

З аналізу опублікованих досліджень вертикальних фрез відомо, що їх діаметр приймається від 0,1 до 0,8 м; величина висування в поперечному напрямку 0,35…0,50 м; швидкість агрегату (переносного руху) – 0,48…1,30 м/с; швидкість різання 2,5…6,0 м/с. У більшості випадків метою досліджень було досягнення мінімальних енерговитрат. Детально не досліджувалися питання наукового обґрунтування основних параметрів (діаметра та поперечного висування фрези, кута установки вертикальних частин ножів з урахуванням їх геометрії, а також параметрів процесу обходження фрезою стовбура дерева, які забезпечують мінімальну необроблену площу).

Тому дослідження цих питань є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження роботи фрези проведено відповідно до комплексної програми „Національна програма розробки і виробництва технологічних процесів, комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової і переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 7.03.1996р.

Дисертація виконана на кафедрі експлуатації техніки та інженерного менеджменту Національного аграрного університету та у відділі механізації Інституту садівництва Української академії аграрних наук. Основні її положення увійшли до тематичного плану науково-дослідної роботи (номер державної реєстрації – №0101U003211) „Обґрунтування параметрів засобів механізації обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу”.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи – підвищення ефективності процесу обробітку ґрунту у міжстовбурних смугах садів інтенсивного типу шляхом вдосконалення висувної секції з вертикальною фрезою.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- Проаналізувати технологічні процеси та засоби механізації обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу.

- Теоретично та експериментально дослідити процес обробітку ґрунту фрезою з вертикальним валом обертання.

- Обґрунтувати основні параметри висувної секції з вертикальною фрезою в залежності від статистичних характеристик міжстовбурної смуги.

- Теоретично обґрунтувати траєкторію руху центра обертання фрези при обходженні нею стовбура дерева, яка забезпечить мінімальну необроблену площу.

- Експериментально визначити якісні, експлуатаційні та економічні показники роботи висувної секції з вертикальною фрезою.

Об’єкт дослідження – технологічний процес та технічні засоби обробітку міжстовбурних смуг садів інтенсивного типу.

Предмет дослідження – закономірності впливу параметрів висувної секції з вертикальною фрезою на ефективність її роботи.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводились з використанням основних положень математики, теоретичної механіки та теорії землеробської механіки. Експериментальні дослідження виконувались у лабораторних і виробничих умовах з використанням методів планування багатофакторних експериментів і статистичної обробки експериментальних даних з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено аналітичні залежності оптимальних значень діаметра фрези, величини висування та довжини щупа від статистичних характеристик міжстовбурної смуги та відхилень стовбурів від вісі ряду.

2. Обґрунтовано аналітичну залежність мінімальної необробленої фрезою площі навколо стовбура від характеристик міжстовбурної смуги, захисної зони і кінематичного параметра процесу обертання важеля з фрезою при обходженні стовбура.

3. Уточнено аналітичну залежність мінімально допустимого кута установки вертикальної частини ножів фрези з урахуванням кута їх загострення та кінематичного параметра руху фрези.

Практичне значення одержаних результатів полягає в науковому обґрунтуванні конструктивних параметрів та раціональних режимів роботи секції з вертикальною фрезою. Використовуючи теоретичні та експериментальні дослідження, виготовлено макетний зразок фрези. У процесі його випробувань отримано достатньо високі якісні і економічні показники: коефіцієнт варіації глибини обробітку – 20…27 %; ступінь підрізання бур’янів

– 98…100 %; висота гребенів – 0,045…0,083 м; необроблена площа навколо стовбура – 0,213 м2 (за теоретичними дослідженнями – 0,222 м2), що менше допустимої за міжнародними агровимогами (0,4 м2). Порівняно з ручною роботою застосування висувної секції забезпечує на одному обробітку гектара саду економію коштів 21 грн. та затрат праці – 12,6 люд.год. при кращій якості.

Особистий внесок здобувача. Полягає в теоретичному обґрунтуванні параметрів фрези, аналізі процесів циклу обходження фрезою стовбурів дерев, розробці методик і монтажних схем експериментального обладнання, у виконанні експериментальних досліджень, аналізі та обробці експериментальних даних та випробуванні макетного зразка.

В опублікованих працях, які відповідають темі дисертації, доля здобувача складає від 60 до 100 %.

Апробація результатів досліджень. Результати наукових досліджень доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету (1998  2004 р.р.), IV міжнародній науково-технічній конференції “Motrol ‘2003” (Київ, НАУ. – 2003), науково-практичній конференції “Енерго- і екологозберігаючі технології в сільськогосподарське виробництво” (м. Сімферополь. КДАУ. – 2004), міжнародній науково-технічній конференції біоекотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві (Київ, НАУ. – 2004), міжнародній науково-технічній конференції до 75-річчя факультету механізації сільського господарства Навчально-наукового технічного інституту НАУ „Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва” (Київ, НАУ. – 2004), міжнародному форумі з питань організації та ведення рентабельного високоефективного сільськогосподарського виробництва ІнтерАГРО 2005 (Київ – 2005), VI міжнародній науковій конференції до 105-річниці з дня народження академіка П.М.Василенка „Сучасні проблеми землеробської механіки” (Київ, НАУ. – 2005). Дисертаційну роботу в повному обсязі заслухано на розширеному засіданні кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту НАУ (м. Київ, 2005).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 статей у фахових виданнях, затверджених “Переліком ВАК...” по технічних науках, з них 2 – одноосібні.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 175 сторінках друкованого тексту, складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел, який налічує 149 найменувань, з них 24 іноземних; містить 18 таблиць і 69 рисунків; 3 додатки.

основний Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету і задачі досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення роботи, рівень апробації і публікації одержаних результатів досліджень.

У першому розділі „Аналітичний огляд механізації обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу” наведено стислий огляд технологій, технічних засобів і результатів досліджень за темою, визначено напрямки вдосконалення процесу обробітку ґрунту в міжстовбурних смугах садів інтенсивного типу.

Загальні теоретичні основи обробітку грунту базуються на фундаментальних наукових працях В.П.Горячкіна, В.О.Желіговського, П.М.Василенка, Г.М.Синєокова, А.С.Кушнарьова, М.Н.Нагорного, Л.Ф.Бабіцкого, В.О.Дубровіна, Я.С.Гукова, І.А.Шевченка та ін.

Значний внесок у розробку теорії грунтообробних машин з активними органами зробили А.Д.Далін, П.В.Жук, І.С.Полтавцев, Н.Ф.Канєв, Г.Ф.Попов, І.М.Панов, С.С.Яцук, А.Р.Лук’янов, В.В.Меліхов та ін.

Над вирішенням проблеми механізації обробітку гранту у міжстовбурних смугах багаторічних насаджень працювали П.Т.Бабій, І.Б.Беренштейн, Я.З.Жилицький, М.І.Герасимов, А.П.Худолій, С.В.Чудак, М.Л.Смелянський, В.Т.Малютяк, В.Б.Мостовський та ін.

Для обробітку міжстовбурних смуг в інтенсивних садах найбільш перспективними є висувні секції з вертикальними фрезами, оскільки вони істотно не погіршують якості роботи в процесі обходження стовбурів, кількість яких в садах інтенсивного типу значно більша, ніж у звичайних.

Аналізом опублікованих досліджень вертикальних фрез встановлено, що вони мають певні переваги порівняно з горизонтальними. Обґрунтовано також параметри різних типів ножів, та виконано їх енергетичну оцінку. Але такі питання як залежність основних параметрів висувної секції (діаметр, величина висування, довжина щупа) та залежність величини необробленої площі навколо стовбура від параметрів процесу обходження фрезою стовбура, не досліджувалися. Ці питання є предметом даних досліджень

У другому розділі „Теоретичні дослідження обробітку міжстовбурних смуг у садах фрезами з вертикальною віссю обертання” уточнено аналітичну залежність заднього кута різання вертикальної частини ножа фрези від кінематичного параметра руху фрези з урахуванням кута загострення. Встановлено аналітичні залежності мінімальних значень діаметра фрези, величини висування та довжини щупа від статистичних характеристик міжстовбурної смуги, величини захисної зони та кінематичного параметра процесу обертання важеля з фрезою при обходженні стовбура.

Оскільки фреза має обертальний рух і переміщується поступально, кожна точка ножа рухається по траєкторії, яка має форму циклоїди. В параметричній формі ця траєкторія описується рівняннями

. (1)

Відповідні швидкості визначаються рівняннями (2)

та, (3)

де – радіус фрези; – кутова швидкість обертання фрези; – швидкість руху агрегату. Координатні вісі x та y направлені відповідно в поперечному та

повздовжньому напрямках.

У процесі повертання фрези задній кут різання змінюється. Щоб цей кут був не менше допустимого (50), необхідно вертикальну частину ножа встановлювати під певним кутом до дотичної. Недотримання цієї вимоги призводить до зминання ґрунту та збільшення опору.

Для визначення аналітичної залежності заднього кута різання розглянемо схему, наведену на рис .1.

На схемі лінії I-I та II-II відповідно дотичні до траєкторії абсолютного та відносного руху; – кут повороту ножа від початкового положення ОХ; і – кут загострення; – верхній кут різання; – кут між віссю ОХ та дотичною в точці А до траєкторії абсолютного руху.

Для верхнього загострення ножа має місце рівність, (4)

де

або. (5)

Для нижнього загострення. (6)

Порівнюючи рівняння (5) і (6) можна заключити, що при нижньому загостренні ножа задній кут різання менший на величину кута загострення, тому доцільно використовувати верхнє загострення.

Величина кута визначається з умови.

оскільки (кінематичний параметр), абсолютна величина розраховується за рівнянням:

, (7)

Рис. 1. Схема до визначення заднього кута різання :

а) і б) – відповідно нижнє і верхнє загострення ножа

а задній кут різання дорівнює:

. (8)

Графічну залежність кута від кінематичного параметра та верхнього кута різання при наведено на рис. 2.

З наведених графіків видно, що за умови , при кінематичний параметр може бути не меншим 2,8, а при необхідне значення кінематичного параметра збільшується до 4.

За багатьма літературними даними передній кут різання (кут кришення) бажано мати не більше 300, тому кут установки площини вертикальної частини ножа до напрямку різання має бути в межах 20…300, а кінематичний параметр .

Для аналітичного визначення основних параметрів висувної секції з вертикальною фрезою, розглянемо процес обходження нею стовбура дерева. Фреза 1 (рис. ) обертається навколо вісі O1, яка розміщена на важелі 2, що може обертатись навколо вісі А1. При русі агрегату фреза повинна забезпечити обробіток міжстовбурної смуги (з однієї сторони ряду), яка має середню ширину . Межа 6 цієї смуги може мати поперечні відхилення до . Можливі відхилення стовбурів дерев у поперечному напрямку – до . Фрезерний агрегат може мати також відхилення у поперечному напрямку до

Рис. 3. Схема для обґрунтування параметрів висувної секції:

1 – фреза; 2 – важіль; 3 – щуп; 4 – стовбур дерева; 5 і 6 – траєкторії
повздовжнього руху фрези; , , – середні квадратичні відхилення відповідно до ширини міжстовбурної смуги, стовбурів дерев від вісі ряду та траєкторії руху фрезерного агрегату у поперечному напрямку

Мінімальний діаметр фрези визначається з умови повного обробітку міжстовбурної смуги при можливих коливаннях відхилень агрегату та ширини міжстовбурної смуги. Такій умові відповідає рівняння:

. (9)

величина висування фрези L визначається з умови, що в усіх випадках при обходженні стовбура віддаль між робочими органами фрези та стовбуром не буде меншою за допустиму величину захисної зони . Із схеми видно, що така умова забезпечується рівнянням

. (10)

Необхідна довжина щупа визначається за умови, що він буде знаходитись у стані дотику до стовбура дерева увесь час проходження фрезерного агрегату від початку виведення фрези із смуги до початку введення її у смугу (відстань ). Найбільша необхідна його довжина буде у тому випадку, коли агрегат з центром обертання щупа знаходиться у крайньому лівому положенні, а стовбур найбільше відхилений у праву сторону від осі ряду.

Тоді довжина щупа визначається з трикутника С1С2Д1 за умовою, що
, де - довжина щупа, яка при найменшому віддаленні агрегату від стовбура забезпечує привід гідророзподільника при допустимій силі дії на стовбур дерева (приймається м).

За цієї умови

. (11)

Із рис. 4 .

Тоді. (12)

Мінімальна захисна зона при можливих відхиленнях фрези у поперечному напрямку забезпечується при певній відстані між центрами обертання щупа і фрези в момент початку її виведення. Відповідно до рисунка 4;

;;

. (13)

Основним показником якості роботи висувної секції є площа необробленої ділянки навколо стовбура. Якщо умовно траєкторії руху центра обертання фрези в процесі обходження стовбура прийняти прямолінійними, величина необробленої площі дорівнює сумі площ трикутника ДСЕ та прямокутника ВДЕО.

Площа трикутника – , а прямокутника

, їх сума

. (14)

У процесі введення фрези в міжстовбурну смугу необроблена площа визначається таким же рівнянням, але кут може відрізнятись від кута

. (15)

Графічну залежність площі ( ) від кута ( ) наведено на рис. 5. Як видно з рис. 5, мінімальна необроблена площа відповідає куту .

Аналітично оптимальна величина кута визначається рівнянням

. (16)

Графічну залежність від , та наведено на рис. 6.

У рівняннях (15) та (16) середня ширина міжстовбурної смуги , величина захисної зони b та середнє квадратичне відхилення стовбурів дерев від вісі ряду
характеризують умови роботи, а кути та – режими процесів висування та введення фрези в міжстовбурну смугу. Схеми процесів висування та введення фрези наведено на рис. 7 та 8.

Рис. 4. Схема до визначення площі необробленої фрезою
ділянки навколо стовбура дерева

Рис. 5. Залежність необробленої навколо стовбура площі від кута нахилу траєкторії руху фрези в процесі висування: 1- м; 2- м

Рис. 6. Залежність оптимального значення кутів та від захисної зони , середньоквадратичного відхилення стовбурів від вісі ряду та середньої ширини необробленої смуги Мс: 1- ; 2- ; 3-

Рис. 7. Схема до обґрунтування рівняння траєкторії руху центра обертання фрези О1 відносно центра стовбура О при її виведенні

Рис. 8. Схема до обґрунтування рівняння траєкторії руху центра обертання фрези відносно стовбура О при її вводі

Параметричні рівняння траєкторії центра обертання фрези (на схемах точки ) описуються такими залежностями:

- у процесі виведення із міжстовбурної смуги

; (17)

- у процесі введення у міжстовбурну смугу

. (18)

Траєкторії, що відповідають цим рівнянням, наведено на рис. 9 та 10.

З рисунків можна зробити висновок, що заміна кривих ліній прямими істотно не вплине на розрахункову величину необробленої площі.

Кути нахилу траєкторій до напрямку руху агрегату можна визначити: ;
, де та кути нахилу дотичних до траєкторій у заданих точках, які визначаються через перші похідні їх рівнянь, тобто .

Після визначення перших похідних рівнянь (17) та (18) і виконання ряду перетворень отримаємо:

. (19)

, (20)

де – кутова швидкість важеля з центром обертання фрези;

– кінематичний параметр циклоїди.

За середнє значення кутів та нами прийнято їх величини, що відповідають середній частині траєкторії. Графічну залежність цих кутів від кінематичного параметру наведено на рис. 11. При розрахунках приймали ; ; (точка на середині).

Оптимальна величина кута забезпечується при . При цьому . Оскільки збільшення призводить до зростання швидкості фрези, що не бажано (бо збільшуються енерговитрати та розкидання грунту), слід приймати .

Рис. . Траєкторії руху центра обертання фрези в процесі її виведення із пристовбурної смуги при м/c; м; та різних значеннях 

Рис. . Траєкторії руху центра обертання фрези в процесі введення її в пристовбурну смугу при м/c; м; та різних значеннях 

Рис. 11. Залежність кутів між траєкторією абсолютного руху центра обертання фрези та напрямком руху від кінематичного параметра при її виведені із смуги ( ) та введені у смугу ( ).

У попередньому аналізі руху фрези при обходженні стовбура нами прийнято, що кутова швидкість важеля постійна. В дійсності з початку обертання важеля має місце його розгін, за час якого змінюється від 0 до сталої величини, яка визначається подачею робочої рідини в гідроциліндр. Для прийнятих режимів роботи с-1, а загальний час повороту важеля становить близько 0,8 с.

Щоб визначити, яку долю загального часу складає час розгону, виконано відповідний аналіз.

Схему механізму наведено рис. 12. Мета аналізу полягає у визначенні часу t , за який досягається задана кутова швидкість с-1.

Прийняті такі позначення параметрів процесу:–

момент інерції фрези разом з важелем і жорстко з’єднаними з ним масами відносно вертикальної вісі, кг•м2;–

кут крайнього положення важеля АВ;–

кут повороту важеля АВ, довільне положення;–

рушійна сила від гідроциліндра, Н;–

сила технологічного опору з боку ґрунту, Н;–

відстань точки закріплення штока гідроциліндра на важелі до вісі його обертання, м;–

довжина важеля, м;–

кут розташування міжосьової лінії АД.

Диференціальне рівняння обертального руху важеля АВ0 разом з фрезою і іншими масами навколо вертикальної вісі АZ (точки А) має вигляд:

. (21)

Після проведення відповідних перетворень отримали формулу для визначення кутової швидкості в певний момент часу t:

. (22)

Графік цієї залежності при Н; Н; м; м; кг•м2 наведено на рис. 13.

З графіка видно, що процес розгону важеля до с-1 становить 0,09 с, що відповідає % загального часу. Таким чином, неврахування часу розгону істотно не впливає на виявлені закономірності обходу фрезою стовбура дерева.

Рис. 12. Схема до визначення кутової швидкості центра обертання фрези

Рис. 13. Залежність кутової швидкості від часу розгону фрези t:

а і б – у діапазоні часу відповідно 0...1 і 0...0,1с

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладено програму досліджень, описано прилади, дослідні установки і методи проведення експериментальних досліджень.

Програмою досліджень передбачалось встановлення залежності енергетичних та якісних показників роботи вертикальної фрези від кута установки вертикальної частини ножа, визначення часу протікання процесів висування фрези та якісних і експлуатаційних показників її роботи у польових умовах.

Дослідження залежності показників роботи фрези (тягового опору, потужності та висоти гребенів) проводили за допомогою дослідної установки, схему якої наведено на рис. 14. Досліди виконували у ґрунтовому каналі при швидкостях руху 0,38…0,80 м/с, частоті обертання фрези – 80…150 хв-1, коловій швидкості різання 3,2; 4,2; 6,0 м/с. Кут установки вертикальної частини ножа – 10; 20 і 300.

Час протікання процесів висування фрези визначали методами вимірювання тиску в гідросистемі. Вимірювальне обладнання включало генератор змінного струму, персональний комп’ютер, плату АЦП, перетворювача (R(Ом) > U (В)) та датчик тиску. Досліди проводили при віддалях між деревами в ряду 1; 1,5 і 2 м.

Якісні та експлуатаційні показники визначали під час роботи макетного зразка висувної секції з вертикальною фрезою у дворічному та п’ятирічному садах дослідного господарства Інституту садівництва УААН. Визначали статистичні характеристики ширини необробленої смуги, відхилення стовбурів дерев від вісі ряду, коливань агрегату в поперечному напрямку, глибини обробітку, висоти гребенів, величини необроблених площ навколо стовбурів дерев, а також ступінь підрізання бур’янів. Методом хронометражу визначали продуктивність та витрату палива.

Рис. 14. Схема лабораторного стенду:

1 – фреза; 2 – рама; 3 – гідроначіпка; 4 – конічний редуктор; 5 – кардан телескопічний; 6, 14 – варіатори; 7 – з’єднувальна муфта; 8, 13 – електродвигуни; 9 – візок; 10 – тензоланка; 11 – гвинт регулювання глибини обробітку; 12 – тяга.

У четвертому розділі „Аналіз результатів експериментальних досліджень” наведено основні експериментальні результати.

Отримані такі рівняння регресії, які дозволяють визначити залежності потужності N, сили опору переміщенню фрези Р та висоти гребенів h від кута установки ножа при різних швидкостях різання :

; (23)

; (24)

. (25)

Значущі величини складових рівнянь визначено при ймовірності,
рівній 0,95.

Графіки рівнянь регресії наведено на рис. 15. Із графічних залежностей можна заключити, що мінімальні значення потужності та висоти гребенів відповідають умові , тобто є близькі до теоретичних. Збільшення швидкості призводить до значного підвищення потужності та тягового опору.

Дослідженнями процесів обходження фрезою стовбурів дерев встановлено, що час виведення фрези з міжстовбурної смуги та введення її у цю ж смугу становив відповідно 0,58...0,62 с та 0,69...0,80 с незалежно від віддалі між деревами у ряду та швидкості агрегату. Від швидкості агрегату залежить шлях його проходження в процесах виведення та введення, а також з висунутою фрезою.

Від часу висування та входження фрези залежать кути та між траєкторіями руху центра обертання фрези та напрямком руху. Теоретичними дослідженнями обґрунтовано кінематичний параметр руху центра фрези , який забезпечує кути ; . За експериментальними даними ; .

У теоретичному розділі обґрунтовано залежності діаметра фрези, величини її висування та параметри щупа від статистичних характеристик ширини міжстовбурної смуги та , відхилення стовбурів дерев від вісі ряду та відхилення траєкторії руху фрезерного агрегату у поперечному напрямку . За результатами експериментальних досліджень м; ;  м;  м. У межах швидкості агрегату 0,41...0,95 м/с величина істотно не змінюється.

Рис. 15. Графіки рівнянь регресії:

а, б і в – залежності відповідно потужності на привід фрези, сили опору Р та висоти гребенів h від кута установки вертикальної частини ножів фрези

У виробничих умовах отримані достатньо задовільні якісні показники роботи вертикальної фрези. У діапазоні швидкостей агрегату 0,41...0,95 м/с середня глибина рихлення була в межах 0,084...0,085 м при обробітку смуги та 0,077...0,080 м при обходженні стовбура. Коефіцієнт варіації був у межах 20...27Ступінь підрізання бур’янів становив 99,4при швидкості агрегату 0,41 м/с та 98при швидкості 0,95 м/с. Статистичні характеристики висоти гребенів після проходу фрези при обробітку міжстовбурної смуги та при обходженні стовбура істотно не відрізнялися.

При збільшенні швидкості руху агрегату висота гребенів збільшується. При  м/с середня висота гребенів становила 0,045...0,047 м, а при  м/с – 0,082...0,083; коефіцієнт варіації був у межах 7,5...11,3Середня необроблена фрезою площа навколо стовбура становила 0,213 м2. За теоретичними розрахунками при ; ця площа становить 0,222 м2. Різницю можна вважати незначною.

У п’ятому розділі „Апробація результатів досліджень у виробництві, їх техніко-економічна ефективність” наведено експлуатаційні показники та розрахункова економічна ефективність. За результатами хронометражу при середній швидкості агрегату 1,32 км/год продуктивність за годину основної роботи становила 0,33 га, а за годину змінного часу – 0,318 га. Витрата палива склала 6,8 кг/га. Економія затрат праці – 12,64 люд.год/га, а витрат коштів – 21,03 грн/га.

Висновки

1. Аналіз технологічних процесів та засобів механізації показав, що ґрунт у міжряддях садів інтенсивного типу обробляється різними типами робочих органів машин (диски, культиваторні лапи, лемеші тощо), а у міжстовбурних смугах, які переважно обробляються вручну, найбільш раціонально виконувати активними робочими органами, дослідження яких потребує істотного поглиблення.

2. Теоретичними та експериментальними дослідженнями процесу обробітку ґрунту фрезою з вертикальним валом обертання і L-подібними ножами встановлено, що вертикальні частини ножа повинні мати верхнє загострення і встановлюватись під кутом 20…300 до напрямку різання.

3. Обґрунтовано теоретичні залежності діаметра фрези, величини висування у поперечному напрямку, довжини щупа та місця його установки в повздовжньому напрямку від статистичних характеристик ширини необробленої смуги, відхилень дерев від вісі ряду в поперечному напрямку та відхилень фрезерного агрегату.

4. Встановлена аналітична залежність мінімальної необробленої площі навколо стовбура дерева від кінематичного параметра висувної секції та статистичних характеристик міжстовбурної смуги. Найменша необроблена площа (0,222 м2) забезпечується при кінематичному параметрі руху центра обертання фрези, величина якого становить . При цьому кут нахилу траєкторії абсолютного руху центра обертання фрези у процесі виведення її з міжстовбурної смуги складає , а у процесі введення – .

5. У результаті виконаних теоретичних та експериментальних досліджень висувної секції з вертикальною фрезою з чотирма L-подібними ножами встановлено такі параметри: діаметр фрези – 0,46 м; кут установки вертикальної частини ножа до напрямку різання – 230; довжина горизонтальної частини ножа – 0,10 м; величина висування фрези в поперечному напрямку – 0,5 м; довжина щупа – 0,82 м; довжина поворотного важеля – 0,7 м; подача на ніж – 0,08…0,12 м; кінематичний параметр робочого процесу фрези ; кінематичний параметр процесу повороту важеля (процесу висування) –; швидкість руху агрегату – до 3,6 км/год.

6. У процесі досліджень макетного зразка висувної секції з вертикальною фрезою отримані показники якості, що відповідають агровимогам: глибина обробітку 0,077…0,085 м, %; ступінь підрізання бур’янів – 98...100 %; висота гребенів – 0,045…0,083 м; площа необробленої фрезою зони навколо стовбура 0,213 м2, %.

7. Обробіток міжстовбурних смуг у садах інтенсивного типу із застосуванням висувної секції з обґрунтованими параметрами фрези забезпечує у порівнянні з разовим ручним обробітком гектара саду економію коштів 21 грн. та затрат праці – 12,6 люд.год. при кращій якості.

Результати досліджень передано для впровадження у виробництво інженерному центру Інституту садівництва УААН.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Фришев С.Г., Розум М.І., Тимошок І.В., Алдушин П.І., Шатров Р.В. Механізація обробітку ґрунту в ущільнених садах // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". – К.: НАУ, 1998. –№ . – С. –237. (Особистий внесок – підбір матеріалів по механізації міжстовбурних смуг).

2. Демидко М.О., Шатров Р.В. Теоретичний аналіз опору ґрунту при переміщенні двогранного клина // Науковий вісник НАУ. – К.: НАУ, 1998. – № . – С. –80. (Особистий внесок – аналіз впливу робочої швидкості на опір клина)

3. Мартишко В.М., Шатров Р.В., Бабій В.П., Фришев С.Г. Результати досліджень фрези з вертикальною віссю обертання // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". – К.: НАУ, 1999. – № . – С. –182. (Особистий внесок – участь у розробці програми і методики проведення експериментальних досліджень та аналізі результатів).

4. Мартишко В.М., Шатров Р.В. Обґрунтування деяких параметрів вертикального ротора фрези для обробітку ґрунту в міжстовбурній смузі саду // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". – К.: НАУ, 1999. – № . – С. –73. (Особистий внесок – обґрунтування параметрів ножів фрези).

5. Шатров Р.В. Загальна характеристика садів інтенсивного типу та проблеми використання техніки для міжстовбурного обробітку ґрунту // Зб. наук. праць НАУ. „Механізація сільськогосподарського виробництва”. – К.: НАУ, 2000. – № . – С. –113.

6. Шатров Р.В. Кінематика робочих органів фрези з вертикальним валом обертання // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". – К.: НАУ, 2000. – № . – С. –177.

7. Демидко М.О., Шатров Р.В. Обґрунтування параметрів висувної секції садової фрези // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва. – К.: НАУ, 2003. – № . –
с. 184–188. (Особистий внесок – обґрунтування величини діаметру фрези та висування її в поперечному напрямку).

8. Демидко М.О., Шатров Р.В. Обґрунтування кінематичного параметру процесу обходження стовбура висувною секцією з вертикальною фрезою // Науковий вісник НАУ. – К.: НАУ, 2004. – № . – с. –325. (Особистий внесок – отримані рівняння траєкторії руху центра обертання фрези, визначено кінематичний параметр та рівняння необробленої площі).

9. Шатров Р.В., Литвинов О.І., Демидко М.О. Визначення часу розгону центра обертання фрези у відносному русі // Науковий вісник НАУ. – К.: НАУ, 2004. – № . ч. . – с. –314. (Особистий внесок – визначено, яку долю загального часу складає час розгону фрези).

Шатров Р.В. Обґрунтування параметрів висувної секції з вертикальною фрезою для обробітку ґрунту в садах інтенсивного типу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Національний аграрний університет, Київ, 2006.

Дисертація присвячена проблемі підвищення ефективності процесу обробітку ґрунту в міжстовбурних смугах інтенсивних садів шляхом удосконалення висувної секції з вертикальною фрезою. Теоретичними і експериментальними дослідженнями обґрунтовано параметри висувної секції з вертикальною фрезою, які забезпечують мінімально необроблену площу навколо стовбура. Використовуючи теоретичні і експериментальні дослідження, виготовлено макетний зразок фрези. В процесі його випробувань отримано достатньо високі якісні і економічні показники: коефіцієнт варіації глибини обробітку – 20…27 %; ступінь підрізання бур’янів – 98…100; висота гребенів – 0,045…0,083 м; необроблена площа навколо стовбура – 0,213 м2 (за теоретичними дослідженнями – 0,222 м2), що менше допустимого за міжнародними агровимогами (0,4 м2). Порівняно з ручним обробітком застосування висувної секції забезпечує на одному обробітку гектара саду економію коштів 21 грн. та затрат праці – 12,6 люд.год. при кращій якості.

Ключові слова: сад, стовбури дерев, міжстовбурна смуга, відхилення, необроблена зона, вертикальна фреза, продуктивність, ефективність.

Шатров Р.В. Обоснование параметров выдвижной секции с вертикальной фрезой для обработки почвы в садах интенсивного типа. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Национальный аграрный университет, Киев, 2006.

Диссертация посвящена проблеме повышения эффективности процесса обработки почвы в межствольных полосах интенсивных садов путем усовершенствования выдвижной секции с вертикальной фрезой.

Анализом литературных источников установлено, что для обработки межствольных полос интенсивных садов наиболее перспективной является выдвижная секция с вертикальной фрезой. Имеющиеся исследования посвящены в основном изысканию оптимальных типов и параметров режущих рабочих органов с целью уменьшения энергоемкости. Вопросы, связанные с уменьшением необработанной площади вокруг ствола дерева, изучены недостаточно.

Учитывая, что в загущенных насаждениях уменьшение необработанных участков вокруг стволов деревьев имеет повышенную актуальность, основное внимание в работе направлено на решение этого вопроса.

Теоретическим анализом обоснованы зависимости диаметра фрезы, величины ее выдвижения в поперечном направлении, длины щупа и места его установки в продольном направлении от статистических характеристик ширины необработанной полосы, отклонений деревьев от оси ряда в поперечном направлении и поперечных отклонений агрегата в процессе движения.

Установлена аналитическая зависимость необработанной площади вокруг ствола дерева от минимальной величины защитной зоны, ширины необработанной межствольной полосы, среднеквадратического отклонения стволов деревьев от оси ряда и угла наклона траектории движения центра вращения фрезы к оси ряда в процессе выдвижения. Определены оптимальные величины этого угла для процессов выдвижения и вхождения в полосу, обеспечивающие минимальную величину необработанной площади, а также необходимый кинематический параметр движения центра вращения фрезы.

Используя результаты теоретических и экспериментальных исследований изготовлен макетный образец фрезы. В процессе его испытаний получены достаточно высокие качественные и экономические показатели: коэффициент вариации глубины обработки – 20…27 %; степень подрезания сорняков –
98…100 %; высота гребней – 0,045…0,083 м; необработанная площадь вокруг ствола – 0,213 м2 (по теоретическим исследованиям – 0,222 м2), что меньше допустимого по международным агротребованиям (0,4 м2).

По сравнению с ручной обработкой обеспечивается на одной обработке гектара сада экономия 21 грн. и 12,6 чел.час. при лучшем качестве.

Ключевые слова: сад, стволы деревьев, межствольная полоса, отклонения, необработанная зона, вертикальная фреза, производительность, эффективность.

Shatrov R.V. Substantiation of sliding section parameters with a vertical mill for processing ground in gardens of intensive type. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate of technical sciences on a speciality 05.05.11 – Machines and means of an agricultural production mechanization. – National Agricultural University, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to a problem of process efficiency increase of ground processing in interbodywood strips of intensive gardens by sliding section improvement with a vertical mill. Theoretical and experimental researches parameters of sliding section with a vertical mill and dependence of the raw area around of a trunk from process parameters are proved. Using theoretical and experimental researches, the model sample of a mill has been made. During tests of the model sample high enough qualitative and economic parameters are received: depth variation factor of processing – 20…27 %; weeds cutting degree – 98…100 %; crests height – 0,045…0,083 m; raw area around trunk – 0,213 m2 (on theoretical researches – 0,222 m2), that less allowable on international agricultural requests
(0,4 m2). As for comparison with manual processing on one processing of 1 garden hectare economy 21 uan. and 12,6 man.hour at better quality is provided.

Key words: garden, trees trunks, interbodywood strip, deviations, raw zone, vertical mill, productivity, efficiency.