НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Березовий Микола Георгійович

УДК 631.356.2

Обґрунтування технологічних і конструктивних параметрів робочих органів машини для збирання гички цукрового буряку

05.05.11 – машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, член-кореспондент УААН, заслужений винахідник України Булгаков Володимир Михайлович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри механіки та теорії механізмів і машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Завгородній Анатолій Федорович, Українська академія аграрних наук, провідний науковий співробітник відділення механізації і електрифікації

Захист відбудеться "   вересня  2007 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус № 3, кімн. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус № 4, кімн. 28

Автореферат розіслано “ 20 ” серпня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ____________ Д.Г.Войтюк

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми досліджень. Світове виробництво цукрового буряку зараз становить близько 9 млн. га. У світі з цукрового буряку виробляють до 40% загального обсягу виробництва цукру. Понад 80% виробництва цукрового буряку зосереджено в Європі (Франція, Німеччина, Росія та ін.), де Україна посідає третє місце за виробництвом цукру, оскільки він був і залишається одним з її стратегічних продуктів.

невід'ємною складовою цукрового буряку є гичка, яка завжди була важливим компонентом кормового раціону у тваринництві, оскільки містить 24-40% поживних речовин, що утворюються протягом періоду її вегетації, добре засвоюється (засвоєння енергії досягає 74-78%), переважну частину її урожаю – майже 85-90% – можна силосувати, а залишок (10-15%) – згодовувати у свіжому вигляді в період збирання, який триває 30-50 днів. В останні роки гичка цукрового буряку використовується також як сировина для біогазових установок або як органіка для збереження родючості ґрунтів.

Широкого використання у вітчизняному аграрному виробництві набули гичкозбиральні машини іноземного виробництва, які не завжди задовольняють вимогам щодо високоякісного збирання та збереження кормових властивостей гички, оскільки або взагалі не збирають гичку після зрізання (подрібнюють та розкидають по поверхні поля), або у більшості випадків через забруднення ґрунтовими домішками вона не може у подальшому використовуватися у кормових цілях. Крім того, згадані гичкозбиральні машини разом із зрізанням гички обрізають головки коренеплодів, що призводить до підвищених втрат цукроносної маси (іноді до 8...10 %), яка залишається у зрізаних головках.

Найпоширеніші гичкозбиральні машини вітчизняного виробництва – БМ-6А, БМ-6Б – також не завжди забезпечують необхідну якість збирання гички через недосконалість механізмів індивідуального копіювання головок коренеплодів, особливо у випадках високорозвинутої гички та значних відхиленнях коренеплодів в рядках посівів. А тому розробка нових конструкцій бурякозбиральних машин, зокрема гичкозбиральних, та обґрунтування їх раціональних параметрів є актуальною проблемою на сучасного етапі розвитку вітчизняного сільськогосподарського машинобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження за темою дисертаційної роботи виконувались згідно з цільовою, комплексною програмою “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженою Кабінетом Міністрів України 7.03.1996 р. та відповідно до “Програми виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для агропромислового комплексу на 1998-2005 рр.”

Розробка конструкції гичкозбиральної машини проводилася згідно з науково-дослідною тематикою кафедри механіки та ТММ Національного аграрного університету при виконанні держбюджетної теми: “Розробка теорії робочих процесів бурякозбиральних машин” (номер ДР №0104U003797).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення ефективності збирання гички з головок коренеплодів цукрового буряку на основі вибору раціональних конструктивних та кінематичних параметрів робочих органів для зрізання, транспортування і завантаження гички.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити вдосконалену конструкцію гичкозбиральної машини, що здійснює суцільний безкопірний зріз зеленої маси гички;

- аналітично дослідити процес зрізання, транспортування і завантаження гички, для чого побудувати математичні моделі зрізу гички й руху частинки гички по поверхнях робочих органів машини;

- провести лабораторні та польові експериментальні дослідження вдосконаленої гичкозбиральної машини, встановити показники якості збирання, транспортування і завантаження гички та енергетичні параметри робочих органів машини при різних режимах її роботи;

- визначити економічну ефективність проведеного дослідження та впровадити у виробництво основні його положення.

Об’єкт дослідження – робочі органи гичкозбиральної машини для зрізання, транспортування і завантаження гички, та процес їх взаємодії з гичкою.

Предмет дослідження – залежності впливу параметрів та режимів роботи робочих органів на виконання технологічного процесу збирання гички.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводили з використанням положень вищої математики, теоретичної механіки, теорії механізмів і машин. в їх основу було покладено метод складання диференційних рівнянь руху, для чого використовувалися методики, розроблені академіком П.М.Василенком. Складені рівняння були розв’язані численними методами за допомогою ПЕОМ. Експериментальні дослідження проведені по загальних та часткових методиках, із застосуванням математичного методу планування експерименту, з використанням сучасних засобів тензометрування. Обробка результатів експериментальних досліджень здійснювалась статистичними методами за допомогою програмних пакетів аналізу даних.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі загальних положень теорії безпідпірного, безкопірного зрізування рослинної маси одержано аналітичну залежність середньої сили зрізування гички роторним гичкорізальним апаратом у залежності від її механіко-технологічних параметрів (діаметра пучка, маси, пружного опору згину, критичної швидкості різання вільно стоячих пучків гички). Аналітично визначено потужність для зрізування масиву гички за один оберт ротора, що у подальшому дало можливість знайти аналітичний вираз для його продуктивності. На підставі розробленої математичної моделі процесу руху частинки гички по різних елементах завантажувального пристрою визначено раціональні кінематичні та конструктивні його параметри.

Експериментально встановлено нові залежності величини збору гички від кінематичних режимів руху та конструктивних параметрів гичкозбиральної машини. Встановлено також нові залежності пошкоджень зрізаної маси гички від частоти обертання лопатевої кидалки, форми та площі її лопатей.

Шляхом тензометрування встановлено енергетичні параметри транспортувальних і завантажувальних робочих органів та в цілому гичкозбиральної машини, яка виконує суцільній, безпідпірний технологічний процес зрізування гички цукрового буряку.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нову конструкцію трирядної гичкозбиральної машини, що здійснює суцільне безпідпірне зрізування гички, використання якої дозволяє здійснювати високоякісне збирання гички до 95...97 % її урожаю. Енергетичні параметри процесу зрізування гички цукрового буряку також знижено в середньому в 1,2 – 1,5 раза порівняно з гичкозбиральними машинами, які серійно виготовляються. Річний економічний ефект становить понад 9,6 тис. грн на одну гичкозбиральну машину.

У ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” виготовлено дослідну партію гичкозбиральних машин, конструктивні і кінематичні параметри яких обґрунтовано проведеними дослідженнями. У УкрНДІПВТ ім. Погорілого було успішно проведено попередні випробування гичкозбиральної машини.

Обґрунтовані параметри нової гичкозбиральної машини, а також конструкторську документацію на неї було впроваджено в ГСКБ КВП “Дніпропетровський комбайновий завод” та СКБ ВАТ “Борекс”, де їх використано при проектуванні нових конструкцій гичкозбиральних машин.

Особистий внесок здобувача. За результатами попередніх випробувань та проведеного дослідження розроблена конструкторська документація нових робочих органів гичкозбиральної машини – кидалки, приймальної та вихідної камер завантажувального механізму з раціональними їх параметрами. Побудовані математичні моделі суцільного безпідпірного зрізування зеленої маси гички та руху частинки гички на різних етапах її завантаження (рух вздовж лопаті кидалки, усередині нерухомого корпуса та у вільному польоті). Аналітично знайдена величина середньої сили ударного зрізування та визначена потужність роторного гичкорізального апарата. Розроблена методика і конструкція нової лабораторної установки для дослідження подрібнення гички при її транспортуванні і завантаженні. Розроблена програма і методика випробувань та експериментальних досліджень вдосконаленої гичкозбиральної машини. Проведені польові експериментальні дослідження технологічного процесу збирання гички цукрового буряку, енергетичних показників нової гичкозбиральної машини на різних режимах роботи та проведена обробка їх результатів сучасними статистичними методами.

У наукових публікаціях по темі дисертації, які надруковані в співавторстві, дольова участь здобувача складає від 40 до 70

Апробація результатів роботи. Результати проведеного дослідження доповідалися на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу наукових співробітників та аспірантів Національного аграрного університету (1997-2006 рр.), а також на ІІ-й Міжнародній конференції "Перспективные технологии возделывания и уборки сахарной свеклы" (Київ, 1997); на щорічній міжнародній науково-технічній конференції "Технічний прогрес у сільському господарстві" (ННЦ "ІМЕСГ" УААН, Глеваха, 1997, 2000-2002, 2004, 2005 рр.); міжнародній науково-практичній конференції присвяченій пам'яті академіка В.П.Горячкина (Москва, 1998); 6-й та 7-й міжнародних конференціях "New Leading Technologies in Machine Building" (Рибачье, 1997, 1998); міжнародній науково-практичній конференції присвяченій 100-річчю з дня заснування кафедри сільськогосподарських машин НАУ (1998); міжнародних науково-практичних конференціях "Сучасні проблеми землеробської механіки", присвячених пам'яті академіка П.М.Василенка (Київ, 2000; Луцьк, 2001; Миколаїв, 2002; Київ, 2005); спільному засіданні СКБ і відділу наукових досліджень ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” (1999 р.); наукових конференціях "Механізація виробничих процесів рибного господарства, промислових і аграрних підприємств" (Керч, 2001, 2002 рр.); міжнародних науково-технічних конферен-ціях MOTROL – "Motorization and Energetics in Agriculture" (Люблін, 1999; Київ, 2003); міжнародній науково-технічній конференції "Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва" (Київ, 2005), на засіданні кафедри механіки та ТММ Національного аграрного університету (2006 р.). Повний зміст дисертаційної роботи було викладено на засіданні наукового семінару Навчально-наукового технічного інституту НАУ (2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковано у 25 друкованих працях, у тому числі 19 у фахових виданнях, із них 5 одноосібних, та 5 тезах доповідей. Одержано 4 патенти України.

Структура та обсяг роботи. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 184 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, який нараховує 157 найменувань, додатків, містить 10 таблиць і 63 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі проаналізовано сучасні технології та машини для збирання гички цукрового буряку. Розглянуто агробіологічні та фізико-механічні властивості гички. Проаналізовано теоретичні та експериментальні дослідження за темою, визначено напрями підвищення якості виконання технологічного процесу збирання гички.

Загальні теоретичні основи конструювання робочих органів машин для збирання урожаю цукрового буряку та методи обґрунтування конструктивно-технологічних схем гичкозбиральних машин викладено в наукових працях П.М. Василенка, Л.В. Погорілого, В.Я. Аниловича, М.В. Татьянко, В.М. Булгакова, М.А. Мішина, Р.Б. Гевка, М.О. Демидка, Ю.І. Ковтуна, П.В. Савича, В.А. Хвостова, М.М. Хелемендика, Ю.Б. Аванесова, М.М. Зуєва, О.П. Гурченка, А.Г. Цимбала, А.Ф. Завгороднього, І.В.Головача, С.В. Синього, С.А. Топоровського, В.С. Глуховського, І.П. Сичова, Я.І. Козіброди та ін.

Проведений аналіз літературних джерел свідчить, що досягти високої продуктивності роботи гичкозбирального агрегату, допустимих агротехнічними вимогами втрат гички при її збиранні та підвищити якість зібраної маси досить важко, застосовуючи машини з гичкозрізувальними апаратами індивідуального копіювання головок коренеплодів.

Таким чином, найперспективнішими в плані підвищення показників якості технологічного процесу і зниження енергоємності гичкозбиральної машини в цілому є розробка та застосування роторного гичкорізального апарату з горизонтальною віссю обертання, гвинтового транспортера та співвісної з ним лопатевої кидалки.

У другому розділі проведено теоретичні дослідження процесу зрізування, транспортування та завантаження гички робочими органами трирядної гичкозбиральної машини для обґрунтування їх раціональних конструктивно-кінематичних параметрів.

Побудовано матема-тич-ну модель зрізуван-ня гич-ки роторним гичкорізальним апаратом, для чого було складено еквівалентну схему взає-модії ножів з пучками гички (рис. 1). Гичко-різаль-ний апарат ротор-ного типу розгля-нуто у повздовж-ньо-вертикаль-ній пло-щині й пред-став-лено у вигляді рото-ра, на периферії якого розта-шовані дугоподібні (S-подіб-ні) но-жі, що вста-новлені шар-нірно. Ро-тор рухається посту-пально із швид-кістю і одночасно оберта-ється з кутовою швид-кістю щr. Вісь ротора (точка О на схемі) встановлено на висоті H1 над рівнем поверхні ґрунту, висота розташу-вання гички коренеплодів у рядку над рівнем поверхні ґрунту – З. Ротор виконує суцільне зрізування гички на встановленій висоті h над рівнем поверхні ґрунту.

Рис. 1. Еквівалентна схема взаємодії ножів роторного гичкорізального апарата з масивом гички

Використовуючи основні положення теорії суцільного зрізування зеленої маси роторним ріжучім апаратом було знайдено довжину зони різання гички двох ножів:

, (1)

де д – різниця між висотою H1 встановлення осі ротора над рівнем поверхні ґрунту та висотою H пучка гички (д = H1 – H).

Для визначення величини проникнення леза дугоподібного ножа у пучок гички в процесі його першого зіткнення з пучком розглянуто взаємодію окремого пучка гички умовного діаметра d, розташованого на головці коренеплоду, і окремого дугоподібного ножа, що обертається з кутовою швидкістю щr разом із ротором (рис. 2). Розглянуто рух пучка гички, що має один ступінь вільності і приведену масу mпр., та рух дугоподібного ножа, що має приведену масу Mпр. (масу, що приведена до точки удару леза об пучок гички). Відлік початку руху пучка гички під дією удару леза дугоподібного ножа починається від вертикалі, проведеної крізь точку О, яка визначає положення пучка гички, що є ще недеформованим. Зроблено припущення, що переміщення приведених мас mпр. і Mпр. під час удару будуть прямолінійними на всій ділянці різання, а тому диференціальне рівняння прямолінійного руху пучка має вигляд:

, (2)

Де  – сила, що діє на пучок гички з боку ножа, яка залежить від величини е проникнення ножа в пучок; сx – сила пружного опору згину пучка гички.

Рис. 2. Схема взаємодії дугоподібного ножа з пучком гички

Розв’язування рівняння (2) дало остаточний вираз, що описує переміщення при-веденої маси mпр. пучка гички в будь-який момент часу t:

. (3)

Для знаходження закону руху дугоподібного ножа було складено диференціальне рівняння його прямолінійного руху на ділянці різання:

, (4)

де xн – переміщення приведеної маси ножа; – критична швидкість поступаль-ного переміщення ножа, при якій можливе безпідпірне зрізування вільно стоячих пучків гички.

У результаті інтегрування рівняння (4) одержано закон руху дугоподібного ножа роторного гичкорізального апарата в такому вигляді:

. (5)

Використовуючи вирази (3) і (5) визначено величину проникнення е ножа у пучок гички () і, за умови повного його зрізування на діаметрі d при першому зіткненні леза дугоподібного ножа з пучком (враховуючи, що в даному випадку буде е = d), отримано вказану умову:

. (6)

Таким чином, остаточний вираз (6) дає можливість задавати такі конструктивні і кінематичні параметри роторного гичкорізального апарату, при яких зрізування пучка гички відбувається у процесі одноразового зіткнення леза дугоподібного ножа з пучком. Для зрізування пучка гички необхідно, щоб ніж проникнув у пучок на величину його діаметра d перш, ніж відгин усього пучка x перевищить деяке задане значення xкр..

На підставі використання основних положень розробленої математичної моделі визначено частоту обертання ротора гичкорізального апарату:

, (7)

де Rr – радіус, або відстань від осі обертання ротора до кромки леза дугоподібного ножа.

Радіус ротора визначено з умови, що розмір зони різання по вертикалі не повинен перевищувати величину Rr, тобто Rr > H – h. Раціональне значення розміра радіуса ротора знаходиться в межах 300...350 мм.

Визначено також ширину дугоподібного ножа (, мм) виходячи з максимального діаметра dmax пучка гички і деякого значення відхилення розташування коренеплодів від осі рядка, та площу зрізування () гички одним ножем за один оберт ротора в горизонтальній площині.

Довжина дуги різання визначається за таким аналітичним виразом:

. (8)

Результати обчислення довжини дуги різання, м, чисельними методами у середовищі Mathcad для заданих діапазонів зміни швидкості поступального руху машини 0,8;1,0…2,2 м/с та кутової швидкості ротора 30;40…100 с-1 представлено на рисунку 3.

Рис. 3. Поверхня (а) та контурний графік (б) значень довжини дуги різання, м

Робота, яка виконується при зрізуванні гички одним ножем за один оберт з урахуванням числа коренеплодів (, де – густина насаджень коренеплодів), які знаходяться на одержаній площі зрізування, дорівнює:

, (9)

де – середня сила різання; – діаметр пучка гички.

Середню силу різання визначено таким аналітичним виразом:

. (10)

Якщо на роторі розміщено ножів, то робота, яка виконується при зрізуванні гички всіма ножами за один оберт ротора, дорівнює:

. (11)

Якщо за одну секунду ротор здійснює обертів, то потужність Рс, що необхідна для зрізування гички, буде дорівнювати:

, (12)

або . (13)

Результати обчислення середньої сили різання, Н, чисельними методами в середовищі Mathcad для заданих діапазонів зміни швидкості поступального руху машини 0,8;1,0…2,2 м/с та кутової швидкості ротора 30;40…100 с-1, представлено на рисунку 4.

Рис. 4. Залежності середньої сили різання Fc, Н від та

Рис. 5. Залежності потужності Pc, Вт, необхідної для зрізування гички ротором гичкорізального апарату, від та

Результати обчислення потужності, необхідної для зрізування гички ротором гичкорізального апарату гичкозбиральної машини, Вт, чисельними методами в середовищі Mathcad для заданих діапазонів зміни швидкості поступального руху машини 0,8;1,0…2,2 м/с та кутової швидкості ротора 30;40…100 с-1 представлено на рисунку 5.

Використовуючи одержані залежності, було розраховано, що тільки на процес безпосереднього зрізування масиву гички апаратом роторного типу трирядна гичкозбиральна машина витрачає 1408 кВт•год.

Далі було визначено продуктивність гичкорізального апарату. Враховуючи об’єм гички, яка зрізається одним ножем за один оберт ротора (, де – площа зрізування гички одним ножем за один оберт ротора у вертикальній площині) визначено площу зрізування гички:

. (14)

Враховуючи, що – об’ємна маса гички на коренеплодах у полі, кг/м3, визначено продуктивність ротора гичкорізального апарата гичкозбираль-ної машини, кг/с:

. (15)

Розрахунками на ПЕОМ вста-новлено, що потрібна продуктивність ротора 50,4 кг/с.

Рис. 6. Залежності радіуса гвинта від кутової швидкості , с-1, та кута , рад

Задавшись потрібною продук-тивністю горизонтального гвинто-вого конвеєра, що має дорівнювати продуктивності ротора Qr, та прий-нявши, що форма перерізу потоку гички на конвеєрі є сегментом, геометричні параметри якого визначаються кутом , що характеризує наповненість робочого простору конвеєру, отримано залежність радіуса гвинта конвеєра від кута та кутової швидкості . Графічне зображення отриманої залежності представлено на рис. 6. Встановлено раціональне значення радіуса гвинтового конвеєра, що дорівнює 0,18 м.

Для обґрунтування раціональних параметрів лопатевих кидалок заван-тажувального механізму побудовано розрахункову математичну модель про-цесу завантаження гички.

Поперечний переріз механізму для завантажен-ня гички (рис. 7) розгля-нуто у вигляді кожуха радіусом R, у ньому на приводному валі радіуса r0 встановлено лопатеву кидалку. Її лопатки розташо-вані по дотичній до фланцю, під кутом до радіального напряму.

Рис. 7. Еквівалентна схема руху частинки гички по лопаті кидалки завантажувального механізму

При математичному моделюванні прийнято, що частинка гички М потрап-ляє на лопать кидали з гвинтового конвеєра в межах деякого сектора ABB'. За деякий час лопатка AB з частинкою гички на її поверхні в довільному положенні повернеться на кут.

Спочатку розглянуто відносний рух частинки гички буряку вздовж лопатки. На частинку М діють такі сили: вага частинки G; відцент-рова Fb =2; інерції Коріоліса; тер-тя; тиску повіт-ряного потоку, де – маса частинки, – нор-мальне прискорення частинки гички; – відносна швидкість частинки вздовж лопатки і – модуль прискорення Коріоліса; – нормальна реакція, – коефіцієнт тертя; – вектор швид-кості повітряного потоку; – кут між векторами швидкості і площиною лопатки; – стала величина, яка залежить від форми частинки і міделевого перерізу; – міделевий переріз; – питома маса повітря.

Враховуючи це, складено диференціальне рівняння руху частинки гички, яке виражене через параметри кидалки, що має місце для випадку прямо-лінійної лопатки, яка розташована під кутом до радіального положення:

. (16)

де

Далі визначено швидкість сходу частинки гички з кінця лопаті за умови, що час , де – час сходження частинки гички з поверхні лопатки при умові, що.

(17)

де , та сталі коефіцієнти, і визначено при розв’язуванні рівняння (16).

Якщо на відстані від початку лопатка зігнута під кутом, то диференціальне рівняння руху частинки гички для ділянки буде:

, (18)

де ; ;

; .

Далі розглянуто рух частинки М гички після сходу з лопаті, по внутрішній поверхні циліндричної частини кожуха (рис. ). Складено диференціальне рівняння руху на цій ділянці завантажувального пристрою:

. (19)

Складені диференціальні рівняння руху частинки гички М (16, 18, 19), фактично описують весь процес завантаження гички лопатевою кидалкою гичкозбиральної машини. Вказані рівняння враховують конструктивні та силові параметри процесу завантаження і представлені в замкнутому вигляді, їх чисельне рішення дозволяє обґрунтувати раціональні параметри робочих органів, що досліджуються, за умови забезпечення ними потрібної продуктивності та гарантованого завантаження у транспортний засіб усіх компонентів зібраної гички – листків, черешків, обрізаних головок коренеплодів.

Рис. 8. Еквівалентна схема руху частинки гички по внутрішній поверхні кожуха

Графічні зображення залежностей кінематичних та конструктивних параметрів лопатевої кидалки показано на рис. 9 і 10. Аналітичними дослідженнями руху частинки гички встановлено, що раціональними параметрами кидалки є наступні: довжина лопаті повинна бути не меншою, ніж 0,48 м, її ширина - 0,18 м, кутова швидкість обертання - 56 с-1, а кут нахилу площини лопаті до її вертикального радіусу - до 5°.

Було також аналітично визначено потужність, потрібну для приводу гичкозбиральної машини при максимальному робочому навантаженні. Виходячи з конструктивно-кінематичної схеми гичкозбиральної машини і проведених розрахунків у середовищі Mathcad для максимальної продуктивності ротора 50,4 кг/с одержано раціональне значення потрібної потужності, що дорівнює 6,916 кВт.

Рис. 9. Довжина траєкторії руху частинки гички вздовж лопаті кидалки для різних значень кута нахилу лопаті ()

Рис. 10. Швидкість руху частинки гички вздовж лопаті кидалки для різних значень кута нахилу лопаті ()

У третьому розділі викладено програму експериментальних досліджень робочих органів гичкозбиральної машини з використанням галузевих та розроблених методик, описано розроблену експериментальну лабораторну установку, наведено методику проведення і обробки результатів експериментальних досліджень.

Програмою експериментальних досліджень було передбачено:–  

перевірити у лабораторно-польових умовах працездатність розробленої конструкції робочих органів для транспортування та завантаження гички гичкозбиральної машини;–  

визначити вплив кінема-тичних і конструктивних пара-метрів робочих органів на якість зібраної гички при її транспор-туванні та завантаженні;–  

визначити енергетичні параметри гичкозбиральної ма-шини з робочими органами вдосконаленої конструкції; –  

за одержаними результа-тами експериментальних дослід-жень визначити економічну ефективність нової гичкозби-ральної машини.

Для експериментального дослідження технологічного про-цесу транспортування та заванта-ження гички було розроблено лабораторну експериментальну установку. Конструктивно-кінематична схема установки зображена на рис. 11; на рис. 12 показано завантажувальний меха-нізм з установленою експеримен-тальною кидалкою.

Рис. 11. Конструктивно-кінематична схема експериментальної установки

Установка складається з рами 1, гладкого кожуха 2, опор 3, гвинтового конвеєра 4, заванта-жувального механізму 5, якій виконано у вигляді лопатевої кидалки, напрямного кожуха 6, зігнутої завантажувальної труби 7 із пристроєм для уловлювання гички 8, електродвигуна приводу 9, карданної передачі 10, ланцюгової передачі 12 зі змін-ними зірочками 11, та кришки 13 кожуху завантажувального меха-нізму. Установка дозволяє випробовувати лопатеві кидалки різних конструктивних розмірів і геометричної форми. При експериментальному дослід-жен-ні були використані кидалки типу А з прямими чотири-кутними лопатями, що нахилені під кутом між вертикальним радіусом і площиною лопаті на її кінці; типу Б із лопатями, що нахилені під кутом та мають скошену частину біля основи з боку гвинтового конвеєра; типу В із лопатями, що нахилені під кутом , мають скошену частину біля основи та кінці яких відігнути на деякій відстані від початку під кутом. ; типу Г (така ж сама як типу Б, лише з двома лопатями).

Попередніми дослідженнями і на основі конструкторської розробки було встановлено межі варіювання прийнятих факторів. Діапазон значень кутової швидкості робочих органів для транспортування та завантаження було прийнято за умови забезпечення гарантованого викидання лопатевою кидалкою усього вороху зрізаної гички (листків, стебел, частин головок коренеплодів) через завантажувальну трубу.

Лабораторні дослідження проводилися на трьох кутових швидкостях робочих органів: щрое1 =  с-1, щрое2 =  с-1, щрое3 =  с-1, при трьох значеннях довжини транспортування lt1 = ,3 м, lt2 = ,9 м, lt3 = ,5 м. Також змінювали фактор U – форму лопатей кидалки, встановленням кидалок типів А, Б, В та Г.

Рис. 12. Механізм для завантажування гички

Польові дослідження енергетичних парамет-рів гичкозбиральної машини проводилися під час руху агрегатуючого трактора на трьох різних передачах (в діапазоні швидкостей 0,96…2,26 м•с-1) зняттям показників тензометричних датчиків на різних режимах роботи гичкозбиральної машини: для двох різних значень кутових швидкостей (щро1 =  с-1 і щро2 =  с-1) вала робочих органів для транспортування та завантаження гички, а також для випадку, коли їх приводна зірочка була знята і робочі органи були відключені (щро3 = ) – відбувалося лише зрізання гички ротором. Масу гички вимірювали електронними вагами.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень щодо впливу робочих органів на показники якості гички та досліджень із визначення енергосилових характеристик роботи трирядної гичкозбираль-ної машини з встановленими робочими органами удосконаленої конструкції.

За аналізом даних статистичної обробки результатів дослідження процесу транспортування одиничних листків та пучків гички гвинтовим конвеєром було встановлено, що ступінь їх пошкодження на конвеєрі є неістотною і складає 0,5…5%. Також встановлено, що для досліджуваного конвеєра, довжина якого відповідає ширині захвату гичкозбиральної машини, вона мало залежить від довжини транспортування.

На рис. 13 показано уловлені частинки пучків гички після завантаження.

Рис. 13 Частинки пучків гічки, які зазнали дії лопатей різних типів, при кутовій швидкості робочих органів щрое2 =  с-1: а, б, в і г – відповідно лопатей типу А, Б, В і Г

Встановлено, що в межах досліджуваного діапазону значень кутової швидкості її зростання призводить до підвищення ступеня пошкодження пучків гички кидалкою з лопатями певного типу в середньому на 2,5-4,5% на кожні 10 с-1. Ступінь пошкодження пучків гички кидалкою з формою лопатей типу Б на 10…13% менша, ніж при використанні кидалки з прямими прямокутними лопатями типу А. Кидалки з формою лопатей типу Б та В мають більш близькі показники пошкодження гички в порівнянні з показниками пошкодження кидалкою з лопатями типу А. Застосування кидалки типу Г (Б тільки лише з двома лопатями) не зменшує пошкодження гички при завантаженні.

Основне пошкодження маси гички відбувається при її сходженні з гвинтового конвеєра у простір кожуха кидалки і потраплянні на лопаті кидалки.

За результатами статистичної обробки даних лабораторних досліджень одержано рівняння регресії у вигляді поліномів другого ступеня, що характеризують пошкодження гички різними типами кидалок від кутової швидкості робочих органів:

тип А | y = -0,0044x2 + 0,7175x + 52,256

тип Б | y = -0,0008x2 + 0,388x + 45,499

тип В | y = 0,0004x2 + 0,2491x + 46,212

тип Г | y = 0,0003x2 + 0,2644x + 47,711

На підставі отрима-них даних експеримен-тальних досліджень було побудовано графічні за-лежності ступеня пош-кодження гички кидал-ками з різними типами лопатей від кутової швидкості робочих ор-ганів (рис. ).

Польові досліджен-ня енергетичних показ-ників гичкозбиральної машини було проведено в УкрНДІПВТ (смт Дослідницьке, Київська обл.).

Рис. . Графіки рівнянь регресії залежності ступеня пошкодження пучків гички різними типами лопатевих кидалок від кутової швидкості робочих органів

У результаті аналізу одержаних залежностей потужності від швидкості поступального руху для різних значень кутової швидкості робочих органів для транспортування та завантаження гички встановлено, що значення потужності, яка потрібна для виконання усього технологічного процесу збирання гички, збільшується зі зростанням швидкості поступального руху і досягає максимального значення до 14,5 кВт при швидкості руху 2,2 м/с.

Емпірична залежність, що описує зміну потужності, яка витрачається на привід робочих органів для транспортування і завантаження гички, графічно представлена на рис. 15, а записана у вигляді полінома другого ступеня має вигляд (для випадку щро1 = с-1):

y ,9x2 - ,4x ,3.

Рис. 15. Залежність потужності, що витрачається на привід робочих органів для транспортування і завантаження гички, від швидкості руху агрегату: 1 – щро1 = с-1, 2 – щро2 = с-1

Рис. 16. Залежність зміни частки потужності, що витрачається на привід робочих органів для транспортування і завантаження гички, від швидкості руху агрегату (щро1 =  с-1)

При цьому з наведених графічних залежностей випливає, що потужність, яка витрачається на привід робочих органів для транспортування і завантаження гички змінювалася (в діапазоні швидкостей, що досліджувався) від 31,5 до 53 % від потужності, що витрачається на виконання усього технологічного процесу збирання гички. Максимальне значення потужності на привід даних робочих органів спостерігається при найбільшій швидкості і складає близько 5,14 кВт, а при звичайних режимах роботи гичкозбиральної машини (в діапазоні швидкостей від 1,7 до 2,0 м/с) вказана потужність може становити 3,06…4,57 кВт, або 52…53 %.

Поліноміальна залежність, що описує зміну від швидкості руху агрегату частки потужності, що витрачається на привід робочих органів для транспортування і завантаження гички (від усієї потужності, що витрачається на виконання технологічного процесу збирання гички гикозбиральною машиною), має вигляд:

y ,583x2 + ,34x - 69,141.

Графічно цю залежність представлено на рис. 16.

За аналізом отриманих емпіричних залежностей енергетичних показників гичкозбиральної машини встановлено, що їх значення будуть мінімальними при поступальній швидкості руху 0,8…1,2 м/с. Менші значення відповідають меншому значенню кутової швидкості приводного вала.

Енергетичні показники, отримані під час випробувань удосконаленої конструкції гичкозбиральної машини вказують, що середнє значення її зведених енерговитрат (у перерахунку на один рядок захвату – NВВП = ,1 кВт; NТ = ,4 кВт) нижчі, ніж у гичкозбиральних машин, які на даний час найбільш широко застосовують у господарствах (максимальна потрібна потужність гичкозбиральної машини БМ-6Б складає до 46 кВт). Таким чином, енергетичні показники запропонованої вдосконаленої конструкції трирядної гичкозбиральної машини у середньому приблизно в 1,2...1,5 рази менші порівняно з серійною гичкозбиральною машиною БМ-6Б.

У результаті проведення польових експериментальних досліджень було встановлено, що кількість низько обрізаних головок коренеплодів становить 2-3%, сильні механічні пошкодження коренеплодів практично відсутні (0...1%), втрати маси коренеплодів до 2%, що задовольняє агротехнічним вимогам (до 5%).

При цьому висота встановлення гичкорізального апарата над поверхнею ґрунту під час випробувань становила згідно з наведеними рекомендаціями 0,06 м, поступальна швидкості руху агрегату  = ,8…2,0 м/с.

Результати виробничих випробувань машини свідчать про достатньо високу якість виконання технологічного процесу збирання гички і відповідність показників агротехнічним вимогам до даного технологічного процесу.

У п’ятому розділі наведено розрахункову економічну ефективність і дані з впровадження результатів проведеного дослідження. Було розраховано, що річний економічний ефект від застосування нової гичкозбиральної машини з вдосконаленими робочими органами становить близько 9,6 тис. грн. Результати теоретичних та експериментальних досліджень і конструкторських розробок впроваджено у СКБ ВАТ "Тернопільський комбайновий завод", СКБ Дніпропетровського комбайнового заводу, СКБ ВАТ "Борекс", де вони використані при проектуванні нових конструкцій робочих органів машин для збирання урожаю цукрового буряку.

Загальні Висновки

1. Одним із перспективних напрямів збирання гички цукрового буряку є видалення останньої у дві стадії: суцільне зрізування основної маси роторним робочим органом, її збирання для подальшого використання (або розкидання по поверхні поля), і послідуюче доочищення (дообрізання) головок коренеплодів. Для зрізування доцільним є використання роторного гичкорізального апарату з горизонтальною віссю обертання, оскільки саме цей робочий орган відрізняється простотою конструкції, малою енерго- та металоємністю. Для подальшого транспортування та завантаження гички доцільне застосування простих за конструкцією робочих органів, виконаних у вигляді гвинтового транспортера з горизонтальною віссю обертання та розташованої з ним на одній вісі лопатевої кидалки.

2. Побудована математична модель суцільного безпідпірного зрізування гички, яка базується на основних положеннях теорії суцільного зрізування рослинної маси, дала можливість аналітично визначити, на підставі чисельного моделювання на ПЕОМ, наступні раціональні параметри роторного гичкорізального апарату:– 

потрібна потужність роторного гичкорізального апарату має становити не менше ніж 391 Вт, що відповідатиме витратам 1408 кВт·год;– 

максимальна розрахункова продуктивність збирання гички трирядною гичкозбиральною машиною повинна знаходитися в межах 50,4 кг/с;– 

число блоків зрізаючих ножів S-подібної форми на барабані роторного гичкорізального апарата має бути не менше 12 шт. (при трирядковому виконанні гичкозбиральної машини), при загальній кількості ножів – 36 шт.;– 

колова швидкість кінців зрізаючих ножів повинна знаходитись у межах 18...20 м/с;– 

ширина блоку ножів має бути не меншою, ніж 0,15 м, приведена маса одного ножа – 1,7 кг;– 

радіус барабана роторного гичкорізального апарату має бути в межах 0,30…0,35 м.

3. Аналітичне дослідження руху частинки гички по робочих органах завантажувального механізму і послідуюче чисельне моделювання на ПЕОМ дали можливість встановити такі раціональні конструктивні і кінематичні його параметри:– 

довжина лопаті кидалки має бути не меншою, ніж 0,4…0,5 м, її ширина – 0,18 м;– 

потрібна лінійна швидкість руху частинки у завантажувальній трубі досягається при кутовій швидкості вала кидалки понад 56 с-1. – 

кут нахилу площини робочої поверхні лопаті кидалки до її радіусу несуттєво впливає на час руху частки гички вздовж поверхні лопаті. Проте встановлено, що збільшення значення цього кута призводить до збільшення часу руху. Враховуючі зазначені підстави, а також умови технологій виготовлення, значення кута має бути не більшим 5?.

4. На підставі проведених лабораторних експериментальних досліджень встановлено, що раціональним режимом роботи гичкозбиральної машини за умови мінімізації масової частки сильно пошкодженої гички є кутова швидкість робочих органів для транспортування і завантаження гички в діапазоні 30...40 с-1 з лопатями, які мають скошену частину у своїй основі з боку гвинтового конвеєра, і, виходячи з конструктивних параметрів кожуха кидалки та завантажувальної труби, доцільно використовувати кидалку типу В із лопатями, кінці яких відігнуті під кутом  = 30…38° для спрямування потоку гички в завантажувальну трубу.

5. За результатами проведених експериментальних досліджень отримані енергетичні показники роботи гичкозбиральної машини. Потужність на виконання усього технологічного процесу збирання гички становить 8,0...12,5 кВт. Максимальне значення потужності, яке має місце за умови швидкості руху до 2,2 м/с складає близько 14,5 кВт. Максимальне значення тягової потужності за максимальної швидкості, яка забезпечує високу якість виконання технологічного процесу, не перевищує 4,0 кВт. Транспортування і завантажування гички потребує потужності 4…5 кВт.

6. За результатами науково-дослідної та конструкторської роботи для дослідної партії гичкозбиральних машин даної конструкції, які успішно пройшли попередні випробування в УкрНДІПВТ (1993 р.), виготовлено вдосконалені робочі органи, з якими машини пройшли широкі господарчі випробування в Чернігівської та Київської областях (1996-2004 рр.). Результати теоретичних і експериментальних досліджень та конструкторські розробки впроваджені на ВАТ "Тернопільський комбайновий завод", Дніпропет-ровському комбайновому заводі та ВАТ "Борекс". Застосування нової трирядної гичкозбиральної машини з встановленими робочими органами вдосконаленої конструкції дає розрахунковий річний економічний ефект до 9,6 тис. грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Березовий М.Г. Розробка установки для експериментального дос-лідження транспортування та вивантаження гички буряків // Механізація с.-г. виробництва: Зб. наук. пр. НАУ. – К.: НАУ, 1998. – Т.IV. – C.357-359.

2. Березовий М.Г. Про експериментальні дослідження транспортування гички цукрових буряків // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. пр. ЛДТУ. – Луцьк: ЛДТУ, 1999. – Вип. 5. – С.3-7.

3. Булгаков В., Головач І., Березовий М. та ін. Диференціальне рівняння руху частинки гички буряку по лопатці швирялки завантажувального механізму // Commission of Motorization and Energetics in Agriculture: Polish Academy of Sciences Branch in Lublin. – Poland, Lublin: WAR, 2001. – Vol. I. – P.59-68. (Особистий внесок – складено математичну модель руху частинки гички по лопатці).

4. Булгаков В.М., Березовий М.Г. Експериментальні дослідження удосконале-ної кон-струкції робочих органів для транспортування і завантаження гички // Наук. вісн. НАУ: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2000. – Вип. 33. – С.283-296. (Особистий внесок – отримання результатів експериментального дослідження).

5. Березовий М.Г. Аналітичне дослідження процесу завантаження гички цукрового буряку гичкозбиральною машиною // Наук. вісн. НАУ: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2001. – Вип. 41. – С.165-171.

6. Березовий М.Г. Математична модель руху частинки гички по лопаті завантажувального механізму // Вісник аграрної науки Причорномор’я. – Миколаїв: МДАУ, 2002. – Вип. 4(18). – Т.І. – С.279-293.

7. V.Bulgakov, I.M.O.Розробка та дослідження нової гичкозбиральної машини // MOTROL: Motorization and Power Industry in Agriculture. – Lublin, 2006. – Vol. 8A. – P.80-97. (Особистий внесок – складання системи диференціальних рівнянь руху частинки гички).

8. V.I. Golovac, M.L. Spokas. Theoretical research of sugar-beet haulm cutting rotational cutting apparatus // Agricultural Engineering. Research papers 38 (1). – Raudondvaris, Kauno, Lithuania, 2006. – P.75-91. (Особистий внесок – розробка та розв’язування диференціальних рівнянь для визначення сили зрізування).

9. Булгаков В.М. Головач І.В. Березовий М.Г. Розробка конструктивної схеми і теоретичне обґрунтування ротаційного різального апарата гичкозбиральної машини. Ч.І // Техніка АПК, 2005. – № 10-11. – С.30-33. (Особистий внесок – уточнення теорії роторного гичкорізального апарату).

10. Булгаков В.М. Головач І.В. Березовий М.Г. Розробка конструктивної схеми і теоретичне обґрунтування ротаційного різального апарата гичкозбиральної машини. Ч.ІІ // Техніка АПК, 2005. – № 12. – С.28. (Особистий внесок – уточнення теорії роторного гичкорізального апарату).

11. Булгаков В.М., Березовий М.Г. Універсальна гичкозбиральна машина КПФ-1,5 // Аграрна наука виробництву: Наук.-інформ. бюл. завершених наукових розробок. – К: УААН, 2006. – №1 (35). – С.29. (Особистий внесок – визначення енергетичних параметрів гичкозбиральної машини).

12. Булгаков В.М., Войтюк Д.Г., Березовий М.Г., Зиков П.Ю. Конструктивно-технологічна схема нового комплексу бурякозбиральних машин // Proceeding Sixth International Conference "New Leading-Edge Technologies