КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АРТЕМЕНКО ДМИТРО ЮРІЙОВИЧ

УДК 631.33.024.2;5

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СОШНИКА І ПРИКОЧУЮЧОГО КОТКА ПОСІВНОЇ СЕКЦІЇ ПРОСАПНОЇ СІВАЛКИ

Спеціальність 05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кіровоград – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі сільськогосподарського машинобудування Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Шмат Сергій Іванович, Кіровоградський національний технічний університет, доцент кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Морозов Іван Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, професор кафедри сільськогосподарських машин;

кандидат технічних наук, доцент

Слугінов Володимир Митрофанович, Сумський національний аграрний університет, доцент кафедри тракторів і сільськогосподарських машин.

Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут механізації і електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, смт Глеваха Київської області, відділ вирощування польових культур.

Захист відбудеться 3 липня 2007р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий 25 травня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку сільського господарства вирощування цукрових буряків займає важливе місце в загальному сільськогосподарському виробництві. Виробництво цукрових буряків в Україні забезпечує лише 70% загального обсягу потреб цукру на душу населення, але ж господарства нашої держави, що сіють буряк, здатні повністю забезпечити цукром населення України.

Останніми роками спостерігається підйом у розвитку селекції нових сортів і гібридів, які здатні давати врожайність, необхідну для повного забезпечення нашої держави цукром. Однак високоефективні сорти самі по собі навряд чи можуть розв’язати всі проблеми. Щоб сорти змогли виявити свій реальний потенціал, необхідно ретельно, на високому рівні дотримуватись умов агротехніки вирощування цукрових буряків.

Відомо, що запорукою високих урожаїв є отримання ранніх і дружних сходів не тільки за рахунок посіву в межах терміну агровимог, а й завдяки правильному виконанню технологічного процесу робочими органами, які впливають на швидкість проростання насіння цукрових буряків. Основними факторами, які впливають на схожість та розвиток рослин, є рівномірність посіву насіння по довжині рядка і глибині загортання. Але якщо висівний апарат має забезпечувати рівномірність укладання по довжині рядка, то сошник і прикочуючий коток повинні розв’язати проблему укладання насіння в борозні та утворення необхідних умов для його проростання, а саме – укриття насіння вологими шарами ґрунту нижнього горизонту та прикочування насіння з обох боків у зоні його знаходження. Тому чим більш рівномірна подача насіння, тим важливіше значення має правильна робота сошника та прикочуючого котка.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи пов’язана з тематичним планом НДДКР № 0106U009265 Кіровоградського національного технічного університету на 2002 – 2005 роки та “Концепцією комплексної державної програми реструктуризації і розвитку бурякоцукрової галузі на період до 2010 року” – розпорядження Кабінету Міністрів України від 24 грудня 2005 р. N 566-р.

Мета й задачі дослідження. Метою досліджень є підвищення ефективності роботи сошника та прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки шляхом вдосконалення й обґрунтування їхніх конструктивно-технологічних параметрів.

Для досягнення мети поставлено такі задачі:

проаналізувати чинні процеси роботи сошника і прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки, з’ясувати недоліки та обґрунтувати напрями їх усунення;

дослідити конструктивно-технологічні передумови поліпшення роботи сошника та прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки й виробити методи теоретичних досліджень, найбільш прийнятних для обґрунтування процесів їхньої роботи;

дослідити процес роботи сошника посівної секції просапної сівалки, розробити вдосконалену конструкцію та обґрунтувати раціональні параметри його елементів;

визначити закономірності впливу поперечного профілю прикочуючого котка на характер розподілення полів напружень і деформацій під ним та обґрунтувати раціональні параметри його конструкції;

розробити методику створення аналітичної моделі процесу взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом на персональному комп’ютері;

провести випробування вдосконаленого сошника і прикочуючого котка секції просапної сівалки з метою перевірки якості їхньої роботи та теоретичних передумов;

провести польові випробування, оцінити техніко-економічну ефективність удосконалених робочих органів.

Об’єкт дослідження: технологічний процес роботи сошника та прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки.

Предмет дослідження: конструктивно-технологічні параметри сошника і прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки та технологічні властивості ґрунту, які впливають на роботу секції.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використано такі методи: для дослідження роботи сошника – теоретичної механіки та прикладної математики, для дослідження роботи прикочуючого котка – теоретичної механіки, теорії пружності, математичного аналізу й аналітичного моделювання. Результати експериментальних досліджень опрацьовано методами математичної статистики з використанням персонального комп’ютера.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

встановлено закономірності впливу геометричних параметрів першого відвальника щоки сошника на виконання процесу відгортання ґрунту та обґрунтовано їхні раціональні значення;

досліджено поведінку часток ґрунту при їх русі поверхнею криволінійного відвальника і показано вплив розмірів його основних технологічних параметрів на дальність переміщення часток у бік борозни;

виявлено зв'язок між геометричними параметрами поперечного профілю прикочуючого котка та характером розподілення полів напружень і деформацій у ґрунті від його дії;

розширено теоретичний підхід до розв’язання контактної задачі теорії пружності для поверхонь, які мають ділянки контакту різної геометричної форми, що дало змогу дослідити процес взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом і визначити раціональну форму його робочої поверхні;

аналітично обґрунтовано й експериментально підтверджено раціональні параметри робочих поверхонь відвальників щік сошника та поперечного профілю прикочуючого котка, що підвищують якість виконання технологічного процесу загортання насіння й ефективність їхньої роботи.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами досліджень розроблено вдосконалений сошник для загортання насіння вологими шарами ґрунту нижнього горизонту та удосконалено конструкцію прикочуючого котка, обладнаного шиною атмосферного тиску для ущільнення ґрунту з обох боків від зони розміщення насіння. Нові робочі органи випробувано на полях фермерських господарств “Рось” с. Рівне Новоукраїнського району Кіровоградської області та “Лісне” с. Лісне Кіровоградського району Кіровоградської області. Результати теоретичних та експериментальних досліджень передано для використання в СКБ ВАТ “Червона зірка” м. Кіровоград.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком роботи автора. В роботах, написаних у співавторстві, авторові належить таке: аналіз перспективних напрямків удосконалення загортаючих робочих органів [2]; обґрунтування раціональних параметрів робочих елементів щік сошника та процесу роботи шини атмосферного тиску [1,4,5], методика аналітичного моделювання взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом на персональному комп’ютері [3].

Апробація результатів досліджень. Результати проведених досліджень апробовано на міжнародних науково-практичних конференціях: “Проблеми конструювання та експлуатації с/г техніки” (Дніпропетровський державний аграрний університет, 2005 р.) та “Технічний прогрес в АПК” (Харківський національний технічний університет сільського господарства, 2006 р.), на науково-практичних конференціях викладачів Кіровоградського національного технічного університету (2002 – 2006 рр.).

Публікації. Результати досліджень викладено в п’яти статтях, що опубліковані у фахових виданнях, отримано два деклараційних патенти України на корисну модель і винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Роботу викладено на 223 сторінках, з них 150 сторінок основного тексту, на яких розміщено 11 таблиць, 89 ілюстрацій та 9 додатків. Список використаної літератури складається з 129 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, зв’язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і завдання досліджень, наукову новизну та практичну значущість одержаних результатів і їх апробацію.

У першому розділі розглянуто сучасні заходи агротехніки вирощування цукрових буряків, а також шляхи підвищення швидкості проростання насіння. З’ясовано, що, вдосконалюючи конструкції основних робочих органів секції просапної сівалки, які безпосередньо впливають на формування умов проростання насіння (насіннєвий сошник і прикочуючий коток), можна створити ґрунтові умови, близькі до оптимальних і підвищити динаміку проростання насіння цукрових буряків на 10 – 15%.

Конструктивно-технологічний огляд наявних сошників та елементів, задіяних у процесі укладання і загортання насіння показав, що завдяки дослідженням Горячкіна В.П., Нагібіна В.І., Василенко П.М., Камищенко Д.Е., Семенова О.М., Басіна В.С., Пігулевського М.Х., Пронько Л.Ю., Будагова А.А., Петуніна А.Ф., Глуховського В.С., Данченко В.Н., Фалоли О.І., Морозова І.В., Голозубова А.Н., Картамишева Н.І., Берзиньша Е.Р. і ін. було вдосконалено конструкцію сошника просапних сівалок, а також зроблено висновок про доцільність використання елементів для активного загортання насіння вологими шарами ґрунту. Вчені Колєсніков М.В., Басін В.С., Лебедик А.І., Золотарьова Т.О., Пронько Л.Ю., Данченко В.Н. навіть запропонували конкретні рішення з використання таких елементів, але в сучасних конструкціях сошників їх не використано. Тож можна говорити про сформований на сьогодні порядок виконання технологічного процесу сошником, він складається з двох операцій – це утворення борозни наральником сошника, який одночасно формує насіннєве ложе, ущільнюючи його стінки, та усунення самоосипання ґрунту після проходу щік сошника. І якщо сучасні наральники просапних сівалок мають більш-менш раціональну конструкцію, утворюючи необхідну форму насіннєвого ложа, здатну забезпечити рівномірний розподіл насіння вздовж рядка, то з конструкцією щік сошника лишається багато питань. Конструкція звичайних щік насіннєвого сошника не повною мірою відповідає вимогам агротехніки щодо загортання насіння, а саме не придатна для укриття його вологими шарами ґрунту нижнього горизонту, не усуває із зони борозни верхнього сухого шару ґрунту, не проводить часткового руйнування стінки борозни для полегшення укривання насіння вологими шарами ґрунту. В зв’язку з вищесказаним виникає потреба в розробленні більш досконалої конструкції щік сошника, яка могла б усунути вказані недоліки.

Наступним етапом у процесі загортання насіння є формування необхідних умов для його стрімкого проростання, які забезпечуються прикочуючими котками секції просапної сівалки. Такі дослідники, як Сидоров Л.П., Гелашвілі А.А., Шевельов В.М., Скорік В.І., Рожков П.М., Бадалян С.А., Кнаус А.А., з’ясували, що на процес утворення необхідних умов для проростання насіння впливають конструктивні елементи прикочуючих котків та фізико-механічні властивості ґрунту.

Аналізуючи процес роботи котків різних конструкцій, Ковтун Ю.І., Глуховський В.С., Шевельов В.М., Валовіков А.П., Кравченко В.І. встановили, що просапні сівалки повинні загортати насіння без подальшого ущільнення ґрунту над зоною його розміщення. При цьому необхідно утворити ущільнення ґрунту в боковій зоні розміщення насіння, а над ним забезпечити порівняно рихлий шар ґрунту, який сприяє безперешкодному виходу ростків цукрових буряків на поверхню.

У результаті проведеного конструктивно-технологічного огляду наявних конструкцій котків можна сказати, що на сьогодні основний недолік при прикочуванні насіння цукрових буряків, а саме ущільнення ґрунту з обох боків від насінини й утворення над ним шару не ущільненого дрібно грудкуватого ґрунту, досі не усунутий, що засвідчує необхідність розробити більш досконалу конструкцію робочого органу для виконання цих вимог.

У другому розділі проведено аналіз процесу борозноутворення серійними сошниками, який показує, що стінки розкритої посівної борозенки підлягають значному ущільненню, особливо в зоні вологих шарів ґрунту. В результаті порушується послідовність у зрушуванні нижніх (вологих) і верхніх (сухих) шарів ґрунту зі стінок борозни при укриванні насіння. В борозну осипаються передусім верхні частинки ґрунту, як більш сипучі, які сошник ущільнює найменше і мають нижчий коефіцієнт внутрішнього тертя між частинками порівняно з вологими. Вологі частинки ґрунту практично не осипаються. Усунути вищевказані недоліки сошника можна, ввівши в конструкцію його щік нові робочі елементи – відвальники (рис. 1). |

Рис. 1. – Сошник зі щоками для загортання насіння вологими шарами ґрунту нижнього горизонту:

1) – відвальник для відгортання верхнього сухого шару ґрунту; 2) – відвальник для руйнування ущільненої стінки борозни; 3) – відвальник для підрізання нижнього шару ґрунту.

Основна вимога, яка ставиться до роботи першого відвальника щоки сошника, – це відкидання часток ґрунту вбік від борозни при його русі. Для визначення відстані, на яку відкидається ґрунт, необхідно розділити процес взаємодії відвальника щоки сошника з ґрунтом на дві частини: початковий рух у контакті з відвальником щоки сошника та наступний рух ґрунту після сходження з його поверхні (рис. 2а).

Розглянувши першу умову, ми отримали величини зміщення часток ґрунту при їх русі поверхнею відвальника сошника по осях і :

; (1)

, (2)

де – ширина крила відвальника сошника; – кут атаки відвальника; – кут розхилу відвальника щоки сошника.

Отже, зміщення ґрунту при русі його по відвальнику щоки сошника залежить від ширини відвальника та від кутів і .

Для отримання раціональних параметрів кута розхилу відвальника розглянемо взаємодію першого відвальника з ґрунтом, який має форму кромки у вигляді двогранного клина (рис. 2б). Характер руху частки ґрунту залежить від кута розхилу відвальника, ширини робочої кромки щоки сошника та швидкості руху. При сучасних швидкостях руху просапних сівалок (=6 – 8 км/год) взаємодія частки ґрунту з відвальником відбувається у вигляді удару. За руху відвальника зі швидкістю частки ґрунту при зіткненні з робочою поверхнею відвальника переміщуватимуться в напрямку, відхиленому від нормалі на кут зовнішнього тертя.

Абсолютна швидкість частки буде мати значення:

, (3)

де – поступальна швидкість машини; – кут зовнішнього тертя.

а б | Рис. 2. Схеми взаємодії першого відвальника з ґрунтом:

а) у просторі; б) у горизонтальній площині.

Формула (3) показує, що при зменшенні кута абсолютна швидкість відкидання частки уповільнюється. В результаті аналізу рівняння руху частки ґрунту в напрямі отримали залежність дальності бокового відкидання часток ґрунту від швидкості руху агрегату та кута розхилу відвальника:

, (4)

де – коефіцієнт тертя ґрунту по ґрунту; – прискорення вільного падіння.

Рівняння (4) показує, що дальність бокового відкидання частки ґрунту пропорційна квадрату поступальної швидкості машини й залежить від кута розхилу та фізико-механічних властивостей ґрунту.

Для визначення раціональних параметрів кута ми знайшли залежність його зміни від кута установки відвальника у вертикальній площині:

. (5)

Знаючи значення кутів і , а також ширину відвальника щоки сошника, можна визначити зміщення часток ґрунту, яке відбувається при їх русі поверхнею відвальника. В результаті аналізу схеми (рис. 2а) та вищенаведених умов ми отримали залежність повної величини бокового зміщення часток ґрунту першим відвальником щоки сошника:

. (6)

Отже, дальність відкидання ґрунтових часток визначається поступальною швидкістю сошника, значеннями кутів і , а також шириною відвальника щоки сошника.

Процес роботи та конфігурація другого відвальника подібні до роботи леза культиваторної лапи, тому основною вимогою до параметрів відвальника буде кут сходження рослинних залишків з його поверхні. Для забезпечення вищевказаних вимог кут розхилу відвальника має бути в межах 16 – 300.

Третій (найбільший) криволінійний відвальник підрізає й кришить нижній шар ґрунту, вкладаючи його на дно борозни. З цією метою криволінійний відвальник відігнутий ззовні міжщікового простору, а його внутрішня поверхня утворена шляхом огинання поверхні кругового конуса (кут розхилу конуса менший за кут тертя ґрунту по сталі) і зрізанням частини профілю площиною під кутом 400 до вісі , у результаті чого в розрізі отримуємо еліпс, який має вісі (рис. 3). |

Рис. 3. Схема утворення поверхні відвальника в просторі

У такому конструктивному виконанні утворюється крива входу відвальника в ґрунт і забезпечується сходження часток ґрунту та рослинних решток з його поверхні. Для з’ясування основного технологічного параметру криволінійного відвальника щоки сошника – дальності переміщення часток ґрунту від його дії – ми розглянули весь шлях проходження частки – від початку її руху поверхнею відвальника до потрапляння на дно борозни.

Для цього розглядався рух частки М ґрунту як складний. У нашому випадку одночасно виконуються два рухи: переносний рух відвальника з постійною швидкістю вздовж осі та абсолютний рух частки ґрунту внутрішньою поверхнею відвальника щоки сошника під дією сил тяжіння. Нерухому систему координат зв'яжемо з умовною горизонтальною площиною – поверхнею ґрунту. Рухому систему координат зв'яжемо з конусом – внутрішньою поверхнею відвальника, що рухається з постійною швидкістю вздовж осі . Траєкторія частки М ґрунту в проекціях на осі нерухомої системи координат – й збігатиметься з проекціями на осі рухомої системи координат , тобто , а . Проекція на вісь відрізнятиметься від проекції на вісь на величину , тобто .

Для розгляду руху частки М ґрунту в рухомій системі координат (рис. 4) ми склали схему її руху в довільному положенні поверхнею криволінійного відвальника. До частки ґрунту прикладені сили: вага – , спрямована вертикально вниз, сила тертя – , спрямована по твірній конуса, реакція поверхні опору – . |

Рис. 4. Схема руху частки ґрунту поверхнею відвальника

Основне рівняння динаміки для частки ґрунту за наявності рівняння зв’язку , що є канонічним рівнянням поверхні прямого кругового конуса: . (7)

Для визначення складових рівняння (7) рухливу систему координат зв'язуємо з конусом, що рухається з постійною швидкістю уздовж осі . Знайдемо результуючу активних сил, прикладених до частки ґрунту через складові: . Активною є тільки сила ваги , спрямована вертикально вниз, тому .

Частка ґрунту рухається поверхнею конуса, що має рівняння виду , і не може покинути цю поверхню в будь-який момент часу , де – час сходу частки ґрунту з поверхні конуса, тому будемо вважати, що на частку ґрунту накладено двосторонній зв'язок.

Оскільки частка ґрунту до моменту перебуває на поверхні конуса, то її координати в будь-який момент часу, до моменту , відповідають рівнянню поверхні конуса. Для розв’язання задачі ми склали й розв’язали диференціальні рівняння другої (оберненої) задачі динаміки невільної точки, що дало змогу отримати закон руху частки поверхнею відвальника з урахуванням сили тертя:

(8)

де – швидкість руху конуса в напрямі ; – радіус основи конуса; – висота конуса; – розв’язок характеристичного рівняння по осі ; – розв’язок характеристичного рівняння по осі ; – коефіцієнт, який ураховує властивості ґрунту та геометричні параметри відвальника; – час.

Після того, як частинка ґрунту покине поверхню конуса, вважаємо, що вона здійснює рух у полі сили тяжіння. Для знаходження моменту сходження частинки ґрунту з поверхні конуса необхідно знайти перший додатний корінь відповідного тригонометричного рівняння:

. (9)

Розв’язок такого рівняння отриманий графічно. Знайдене значення підставили в (8) і знайшли координати точки ґрунту в момент сходження з поверхні конуса за умови, що . Знаючи значення та складові швидкості частинки ґрунту , можна записати початкові умови для визначення швидкості переміщення частки в момент сходження:

, , . (10)

Обчислюючи їх, знаходимо швидкості частки ґрунту в момент сходження з поверхні відвальника:

(11)

Враховуючи (11), отримали рівняння руху частки ґрунту після сходження з поверхні конуса без урахування опору середовища:

(12)

Отримавши в результаті чисельного розрахунку значення , знайшли дальність переміщення частинки ґрунту після сходження з поверхні криволінійного відвальника:

. (13)

Для з’ясування конкретного значення дальності переміщення часток ґрунту криволінійним відвальником ми прийняли попередні вихідні значення його геометричних параметрів, у результаті підставлення яких у відповідні рівняння та з урахуванням чисельного розрахунку рівняння (10) отримали величину дальності переміщення часток ґрунту в бік борозни, яка склала =10 см. Для забезпечення якісного укриття насіння вологими шарами ґрунту нижнього горизонту достатньо, щоб дальність переміщення часток ґрунту відвальником становила 2 – 3 см.

Аналіз взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом

Для розгляду процесу взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом ми використали результати експериментів з вивчення напружень у ґрунті, які свідчать про те, що ґрунт є релаксуючим тілом, причому залежно від часу дії величини навантаження один і той же ґрунт може вести себе як лінійно-деформуюче середовище і як пружно-в’язке.

Процес ущільнення ґрунту котками переважно відбувається без порушення його граничної рівноваги й на перший погляд висуваються властивості пружності, тому дослідження напруженого стану під час цієї фази можна звести до задачі про взаємодію двох лінійно-деформуючих тіл, які мають різну жорсткість. У силу симетрії просторову задачу взаємодії котка з ґрунтом можна звести до розв’язання плоскої задачі, в якій форми стискувальних тіл описуються функціями:

і , причому . (14)

У результаті стискування тіла дещо переміщуються вздовж осі :

, (15)

де – зближення між стиснутими тілами.

Вважаємо переміщення всіх точок ділянки контакту рівними і, нехтуючи тертям, розглядаємо ґрунт як лінійно-деформовану напівплощину, до межі якої прикладено нормальний тиск . Під впливом зосередженої сили переміщення на межі ділянки контакту дорівнює:

, (16)

де – стала; – відстань між точками осі з абсцисами і ; – узагальнений показник пружності ґрунту.

У результаті перетворень отримали інтегральне рівняння для тиску :

, (17)

де – функція, що залежить від форми стискувальних тіл та їхніх деформаційних властивостей.

В інтегральному рівнянні (17) функція вважається заданою всередині інтервалу межі контакту взаємодії котка та ґрунту і визначається з умови задачі. З метою реалізації вимог до якісного прикочування ми розробили експериментальну конструкцію прикочуючого котка. Запропонована форма котка потребує розгляду випадку, коли його контур у зоні контакту з ґрунтом обмежений відрізком прямої та дугою еліпса (рис. 5).

Форма котка симетрична відносно осі . На дільниці контакту котка з ґрунтом його форма описується рівнянням:

, (18)

де – функція Хевісайда. |

Рис. 5. Схема досліджуваної кривої профілю котка

Ця функція на проміжку є диференційованою. Основне інтегральне рівняння контактної задачі теорії пружності при дільницях зміни , таке:

(19)

де – початок і кінець проміжків осі , на яких контур котка задано одним рівнянням; – невідома функція, яка підлягає визначенню при ; – функція, задана в інтервалі зміни аргументу.

Розв’язок рівняння (19) можна подати у вигляді:

, (20)

де

– поліном ступеню:

(21)

– стискувальна сила, тобто: . (22)

У нашому випадку , , а , , , враховуючи, що та підставляючи в (21) отримаємо: .

Вирази (20), (21), (22) дають змогу повністю розв’язати поставлену задачу і за визначеною зоною контакту знайти розподіл тиску.

Отже, рівняння розподілу тиску під робочою поверхнею прикочуючого котка з урахуванням виду поверхні матиме вигляд:

. (23)

У результаті отримали закон розподілення полів напружень у ґрунті від дії робочої поверхні прикочуючого котка в площині, перпендикулярній рухові. Оскільки отримана функція має в своєму складі еліптичний інтеграл, то її рішення можна отримати тільки чисельним методом у вигляді таблиць. Розв’язавши рівняння (23) чисельним методом, ми побудували теоретичні картини розподілення полів напружень під прикочуючим котком експериментальної форми (рис. 6). |

Рис. 6. Розподілення полів напружень під прикочуючим котком експериментального профілю:

1,2,3 – відповідно навантаження на коток 100, 150, 200 Н.

З рис. 6 видно, що характер розподілення полів напружень під прикочуючим котком експериментальної форми відповідає прийнятій гіпотезі про вплив конструктивних елементів профілю робочого органу на якість виконання технологічного процесу.

Третій розділ присвячений програмі та методиці досліджень. У ньому викладено характеристики об’єктів дослідження й умови експериментів; опис експериментальних установок, приладів і обладнання, яке використано в дослідженнях; схеми та ілюстрації проведення дослідів; техніка виконання експериментів; методики проведення дослідів і опрацювання дослідних даних.

До програми експериментальних досліджень ввійшли: розроблення вдосконаленої конструкції насіннєвого сошника та прикочуючого котка посівної секції просапної сівалки; дослідження параметрів першого відвальника щоки сошника, які впливають на дальність відкидання ґрунту в бік від борозни залежно від зміни вологості та швидкості руху агрегату; дослідження параметрів криволінійного відвальника щоки сошника, які впливають на дальність переміщення ґрунту в бік борозни та на висоту відокремленого вологого шару залежно від зміни швидкості руху агрегату, а також кута розхилу між наральником і щокою; розроблення аналітичної моделі взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом на персональному комп’ютері для перевірки теоретичних передумов; дослідження фізико-механічних властивостей ґрунту: коефіцієнта тертя ґрунту по сталі, кута природного укосу, щільності та узагальненого показника пружності; перевірка теоретичних передумов характеру розподілення тиску та якості ущільнення ґрунту під серійними й експериментальним прикочуючими котками в лабораторних умовах; визначення агротехнічних показників роботи насіннєвого сошника та прикочуючого котка просапної сівалки в лабораторно-польових умовах.

Дослідження параметрів відвальників щік сошника проводились у ґрунтовому каналі. Процес відкидання верхніх сухих шарів ґрунту в бік від борозни, а також зрушування нижніх вологих шарів ґрунту криволінійним відвальником щоки сошника на різних швидкостях та за різної вологості ґрунту фіксувалися цифровою відеозйомкою. Величина висоти укриття насіння в борозні вологими шарами ґрунту після проходу досліджуваних сошників та характер розподілу деформацій від дії робочої поверхні прикочуючих котків визначались методом фарбованих шарів ґрунту і фотографуванням.

Розроблення аналітичної моделі взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом на персональному комп’ютері здійснено за допомогою програмного продукту SolidWorks та розрахунку моделі за критерієм Друкера – Прагера в середовищі COSMOSWorks.

Якість ущільнення ґрунту прикочуючими котками оцінювалась розподіленням щільності ґрунту за шириною захвату та глибиною. Для визначення щільності ґрунту використано метод “різальних циліндрів”.

У польових умовах величина узагальненого показника пружності – визначалась за допомогою приладу, сконструйованого на основі щільноміра Ю. Ревякіна по зусиллю й глибині втискування циліндричного деформатора в ґрунт.

Під час проведення лабораторно-польових випробувань визначалась рівномірність загортання насіння по глибині рядка за допомогою пристрою, який дає змогу зрізувати сантиметрові шари ґрунту з насінням у горизонтальній площині, відповідно до чого оцінювали якості роботи серійного й експериментального сошників. Результати експериментальних досліджень опрацьовано методами варіаційної статистики.

Вплив роботи сошників різних конструкцій і ущільнення ґрунту в зоні залягання насіння на врожайність цукрових буряків оцінено динамікою сходження та біологічним врожаєм.

У четвертому розділі наведено лабораторні дослідження першого відвальника сошника для відгортання верхнього сухого шару ґрунту в бік від рядка, які проведені з метою перевірки отриманих теоретичних залежностей, а саме – дальності відкидання часток сухого ґрунту верхнього горизонту. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що раціональний кут розхилу відвальника має становити , а кут атаки – .

Дослідження криволінійного відвальника показали, що дальність зміщення часток ґрунту в борозну збільшується зі збільшенням радіуса основи умовного конуса та швидкості руху сошника. Отримані дані показують, якщо радіус основи конуса дорівнює 10 мм і швидкість переміщення сошника – 1,5 м/с, дальність зміщення часток ґрунту становить 0,5 см, а за швидкості переміщення 2 і 2,5 м/с дальність переміщення збільшилась відповідно від 1 до 1,5 см. Зі збільшенням радіуса основи конуса до 20 мм дальність зміщення часток ґрунту зростала: за швидкості 1,5 м/с – до 5 см, а за швидкості 2 і 2,5 м/с – від 7 до 10 см. Ми також з’ясували, що збільшення радіуса основи конуса, по якому утворена поверхня відвальників щік, понад 15 мм, не доцільне, оскільки дальність зміщення часток у борозну значно перевищуватиме ширину наральника сошника, що призведе до нагортання ґрунту в міжщіковій порожнині сошника та забивання його. Раціональне значення радіуса основи умовного конуса, по якому утворена поверхня щік сошника, котрий забезпечуватиме надійне укриття насіння вологим шаром ґрунту нижнього горизонту на всьому діапазоні швидкості роботи сошника за ширини наральника 2 см і величини міжщікового простору до 2,5 см, становитиме R=15 мм. Отже, теоретичні міркування про вибір геометричних параметрів криволінійного відвальника щоки сошника підтверджуються експериментальними дослідженнями.

Лабораторні дослідження впливу кута між наральником та щокою на висоту вологого шару ґрунту в борозні показали, що висота вологого шару ґрунту збільшується зі збільшенням кута між наральником та щокою. Теоретичні міркування про кут між наральником і щокою, який забезпечує відокремлення необхідного обсягу нижнього вологого шару ґрунту та зміщення його в борозну, підтверджуються експериментальними дослідженнями. Оптимальна висота нижнього вологого шару ґрунту над насінням від 1,5 до 2,0 см забезпечується при куті розхилу 400.

Лабораторні дослідження осипання ґрунту за обрізом щік наральника показали, що сошник серійної сівалки ССТ – 12В не забезпечує укриття насіння в борозні вологими шарами ґрунту нижнього горизонту. Загортання насіння в борозні за такої конструкції сошника відбувається зі зрушенням верхніх сухих шарів ґрунту за обрізом щік наральника, а при вищій вологості ґрунту в зоні посіву до W=24% після проходження серійного сошника борозна взагалі не закривається ґрунтом. Порівняльні дослідження роботи експериментального сошника показали, що борозна після утворення наральником насіннєвого ложа укривається нижніми вологими шарами ґрунту, які зрушуються зі стінок борозни криволінійними відвальниками щік.

Лабораторні дослідження прикочуючого котка передбачали кілька завдань: дослідження деформаційних властивостей ґрунту залежно від його стану; перевірку теоретичних передумов характеру розподілення полів напружень під серійними й експериментальним прикочуючими котками.

Деформації, які відбуваються в зоні контакту котка з ґрунтом, пов’язані з контактним тиском узагальненим показником пружності – і значною мірою залежать від щільності ґрунту. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що зі збільшенням щільності ґрунту узагальнений показник пружності зменшується, а модуль пружності ґрунту відповідно збільшується, що, своєю чергою, впливає на величину розподілення полів деформацій і напружень у ґрунті.

Експериментальні дослідження характеру розподілу полів деформацій і напружень у ґрунті дали змогу підтвердити припущення, що характер їх розподілення значною мірою залежить від робочого профілю та матеріалу деформатора, а також прикладеного навантаження та фізико-механічних властивостей ґрунту.

Оскільки ущільнення ґрунту є результатом зминання його нормальним тиском, який виникає в зоні контакту котка з ґрунтом, то в лабораторних умовах ми провели дослідження з вивчення характеру ущільнення ґрунту під прикочуючими котками серійної й експериментальної секцій просапної сівалки. Оцінку якості ущільнення в поперечному напрямку ми провели за розподіленням щільності ґрунту по ширині захвату прикочуючого котка (рис.7), внаслідок чого було встановлено, що характер ущільнення ґрунту відповідає епюрам розподілення полів напружень уздовж робочої поверхні прикочуючих котків.

а б

Рис. 7. Характер ущільнення ґрунту серійним і експериментальним котками за щільності ґрунту =0,8 г/см3 та вологості W=21 – 23%:

1, 2, 3 – навантаження на коток відповідно 100, 150, 200 Н.

Щільність ґрунту під прикочуючим котком експериментальної форми розподілена нерівномірно і залежно від конструктивного елемента профілю змінює своє значення. На середній ділянці ширини захвату котка щільність ґрунту найменша, що свідчить про відповідність процесу роботи експериментального котка агротехнічним вимогам. На основі отриманих даних можна стверджувати, що ефективніше забезпечувати умови проростання та розвитку насіння цукрових буряків буде коток експериментального профілю.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень підтверджено й моделюванням ситуації на ПК, у результаті якого отримано епюри розподілення напружень у ґрунті від дії робочої поверхні котка, аналогічні експериментальним. Також було зроблено висновок, що програмне середовище COSMOSWorks придатне для моделювання задач механіки ґрунтів.

Метою проведення лабораторно-польових досліджень експериментальної секції бурякової сівалки було виявлення впливу роботи експериментальних робочих органів на схожість та врожайність цукрових буряків. Експериментальні дослідження проведено на дослідному полі Кіровоградського національного технічного університету (КНТУ). Якість роботи робочих органів визначено за такими основними показниками: рівномірність глибини загортання насіння; динаміка сходження насіння та росту рослин; вага 100 рослин після появи сходів і врожайність коренів та гички. Як показують отримані дані, схожість насіння в експериментальних рядках в середньому на 10% вища на 16 день після посіву, а схожість всього висіяного насіння в рядку наставала в середньому на 2 – 3 дні раніше, ніж у базових. Результати врожайності цукрових буряків на дослідних посівах показали, що врожай на ділянках, посіяних експериментальною секцією на 24,9 ц/га та на 41,1 ц/га відповідно в 2004-2005 роках, вища, ніж на ділянках, які були посіяні серійною секцією. Тож можна зробити висновок, що для отримання високої якості посіву, а також високих урожаїв цукрових буряків посів необхідно здійснювати секціями, оснащеними сошником та прикочуючим котком експериментальної конструкції.

У п’ятому розділі показано розрахунок очікуваного річного ефекту від впровадження експериментальних робочих органів у конструкції сучасних просапних сівалок, який показав, що використання при посіві цукрових буряків експериментального сошника та прикочуючого котка дає змогу отримати додатковий прибуток за рахунок збільшення врожайності в розмірі 329,4 грн/га.

Загальні висновки та рекомендації

1. У процесі посіву насіння цукрових буряків сошник і прикочуючий коток посівної секції просапної сівалки мають забезпечувати такі умови для його стрімкого проростання: сошник повинен формувати борозну в насіннєвому шарі й забезпечувати укривання насіння тими шарами ґрунту, на глибині яких воно знаходиться; після прикочування котком секції щільність ґрунту повинна складати з обох боків від насінини в межах 1,1…1,2 г/см3, а над насінням у межах 0,9…1,0 г/см3, чого серійні робочі органи, як вітчизняні так і зарубіжні, не виконують.

2. Ґрунтуючись на попередніх дослідженнях, встановлено, що перспективними напрямами усунення вказаних недоліків є такі:

удосконалення сошника, в конструкції якого присутні додаткові елементи, для виконання триплощинного технологічного процесу загортання насіння, основним принципом роботи яких є примусове переміщення часток ґрунту як у бік від борозни, так і в її напрямку;

створення нового прикочуючого котка, конструкція поперечного профілю якого здатна забезпечити ущільнення ґрунту з обох боків від насінини, а над ним у зоні росту залишити шар неущільненого ґрунту для можливості її вільного та стрімкого проростання.

3. На основі математичного моделювання процесу роботи відвальників щоки сошника встановлено:

на основний технологічний параметр першого відвальника щоки сошника – дальність відкидання часток ґрунту в бік від борозни – впливають: геометричні параметри його конструкції (ширина, кут атаки, кут розхилу в горизонтальній площині), динамічні характеристики (швидкість руху), а також фізико-механічні властивості ґрунту (вологість, коефіцієнт внутрішнього тертя);

для отримання якісного укриття насіння вологими шарами ґрунту нижнього горизонту поверхню криволінійного відвальника необхідно утворити шляхом огинання поверхні прямого кругового конуса з кутом розхилу при вершині, меншим за кут тертя ґрунту по сталі. Основними чинниками, які впливають на основний технологічний параметр (дальність переміщення ґрунту в бік борозни) є такі: геометричні параметри його конструкції (радіус і довжина конуса, по якому утворена поверхня, кут входження відвальника в ґрунт, кут розхилу у вертикальній площині), динамічні характеристики (швидкість руху), а також фізико-механічні властивості ґрунту (вологість, коефіцієнт тертя ґрунту по сталі).

4. Теоретичний аналіз роботи прикочуючого котка просапної сівалки дав змогу встановити, що найбільш раціональним з точки зору виконання агровимог до прикочування насіння є криволінійний характер утворення робочої поверхні котка (контур котка обмежений відрізком прямої й дугою еліпса) та характер розподілення контактних напружень залежно від конструктивних параметрів профілю прикочуючого котка та фізико-механічних властивостей ґрунту.

5. На основі розробленої методики проектування сошника посівної секції просапної сівалки встановлено, що для забезпечення потрібної якості його роботи за швидкості руху агрегату до V=8 км/год, глибини посіву 3 – 5 см, вологості ґрунту до W=24% робочі елементи

першого відвальника повинні мати такі значення: кут атаки – , розхилу – та ширина захвата відвальника – мм;

для забезпечення сходження рослинних решток з поверхні другого відвальника та його працездатності кут розхилу має бути в межах =16 – 300;

криволінійного відвальника – такі значення: радіус основи конуса, по якому утворена поверхня третього криволінійного відвальника, який забезпечує надійне укриття насіння в борозні вологими шарами ґрунту нижнього горизонту, за ширини наральника до 20 мм має становити =15 мм; довжина – мм; кут між наральником і щокою, який забезпечує необхідну висоту вологого шару ґрунту над насінням, становить 400;

поперечного профілю прикочуючого котка, де для забезпечення якісного ущільнення ґрунту навколо насінини при вихідній щільності 0,8 г/см3, вологості ґрунту до W=24%, навантаженні до 20 кг його робочі елементи повинні мати такі значення: радіальна впадина, яка сприяє самоочищенню робочої поверхні котка – =3,5 мм; довжина конусної частини профілю – =20 мм; радіус заокруглення конусної поверхні – 7 мм; висота підйому профілю – =12 мм; товщина стінки – =7 мм для частини профілю, яка здійснює демпфування, – =3,5 мм.

6. Створення аналітичної моделі процесу взаємодії прикочуючого котка з ґрунтом та її розрахунок дають змогу стверджувати, що програмне середовище COSMOSWorks придатне для розв’язання складних задач механіки ґрунтів, а також підтверджують гіпотезу про розподілення полів напружень і деформацій у ґрунті в процесі його роботи.

7. Експериментально підтверджено, що характер розподілення полів напружень і деформацій, а також щільності ґрунту прямо залежить від конструкції робочого профілю прикочуючого котка, водночас отримані результати внаслідок роботи серійних котків свідчать про те, що їхні конструкції не дають змоги повною мірою забезпечити сприятливі умови для проростання насіння цукрових буряків.

8.