ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

БЛЕЗНЮК ОЛЕГ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 631.31

ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДУ ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ

ТА ПАРАМЕТРІВ ДИСКІВ ВИКОПУЮЧОГО ПРИСТРОЮ

КОРЕНЕЗБИРАЛЬНОЇ МАШИНИ

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Козаченко Олексій Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідувач кафедри технічної експлуатації машин та устаткування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пащенко Володимир Филимонович, Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва, завідувач кафедри механізації і електрифікації сільськогосподарського виробництва;

кандидат технічних наук, доцент Коломієць Сергій Матвійович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри механізації тваринництва.

Провідна установа: Луганський національний аграрний університет, кафедра сільськогосподарських машин, Міністерство аграрної політики України, м.Луганськ.

Захист відбудеться „ 24 ” травня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

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

Автореферат розісланий „ 21 ” квітня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність використання бурякозбиральної техніки при виробництві цукрового буряку визначається підвищенням працездатності та довговічності дисків викопуючого пристрою, шляхом обґрунтування їх параметрів і розробки вдосконаленої конструкції, що є актуальним науковим завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження дисертаційної роботи проведені у відповідності з договором про наукову співпрацю між Харківським державним технічним університетом сільського господарства і ВАТ „Тернопільський комбайновий завод” за темою № 30/2 – 96 „Підвищення ефективності і роботоздатності робочих органів бурякозбиральних машин”. Напрямки досліджень є складовою частиною регіональної програми "Найважливіші проблеми АПК на 1996 – 2005 роки", комплексної теми 1 – 4 науково-дослідних робіт ХНТУСГ „Розробка та впровадження у виробництво машинно-технологічних систем для механізованого виробництва сільськогосподарської продукції на основі енергозберігаючих екологічно безпечних технологій та технічних засобів для різних форм господарювання” (ДР № 0100U005610, 2000-2005 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення працездатності дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини шляхом обґрунтування параметрів методу зміцнення.

Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання дослідження:–

проаналізувати напрямки підвищення працездатності та довговічності робочих органів сільськогосподарських машин, що взаємодіють з ґрунтом;–

встановити закономірності спрацювання та умови самозагострення леза дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини; –

дослідити вплив параметрів зносостійкого шару зміцненого леза змінної товщини на інтенсивність формоутворення зубчастої поверхні при виконанні технологічного процесу;–

розробити новий метод зміцнення робочої поверхні дисків викопуючого пристрою для підвищення їх працездатності та довговічності;–

дослідити процес формоутворення зубчастої робочої поверхні дисків при їх спрацюванні;–

обґрунтувати раціональні конструктивні параметри леза дисків з урахуваннями їх самозагострення, що забезпечує підвищення довговічності;–

провести порівняльні з серійними виробничі випробування розроблених дисків, визначити техніко-економічну ефективність їх застосування;–

впровадити розроблені диски викопуючого пристрою коренезбиральної машини в серійне виробництво.

Об’єкт дослідження – процес спрацювання дисків коренезбиральної машини при виконанні функції призначення, зв’язок процесу з конструктивними параметрами леза дисків викопуючого пристрою.

Предмет дослідження – обґрунтування методу підвищення працездатності та параметрів дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини.

Методи дослідження – теоретичні дослідження виконані з використанням методів землеробської механіки для встановлення працездатності розроблених дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини. Лабораторні і виробничі випробування експериментальних дисків, з вивченням характеру спрацювання леза за допомогою розробленого лабораторного устаткування, проведені на основі галузевих та запропонованих методик, математичної статистики і теорії надійності.

Наукова новизна одержаних результатів. Створена нова математична модель формоутворення зубчастої поверхні при спрацюванні зміцненого леза дискового копача коренезбиральної машини змінної товщини, в якій вперше враховано вплив параметрів зносостійкого шару на інтенсивність формоутворення зубців.

Встановлені закономірності впливу конструктивних параметрів зносостійкого шару змінної товщини на інтенсивність формоутворення зубців на лезі диска з урахуванням технології виготовлення.

Теоретично обґрунтовано розроблений метод підвищення працездатності дискових копачів, який відрізняється від відомих попереднім перед зміцненням формоутворенням виступів і заглиблень у робочому шарі леза диска.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням методів землеробської механіки, основних законів спрацювання робочих органів в абразивному середовищі, адекватністю розроблених математичних моделей реальним процесам спрацювання, позитивними результатами дослідно-виробничої перевірки запропонованих конструкцій та їх виробничим впровадженням.

Наукове значення роботи зводиться до подальшого розвитку теорії спрацювання лезових робочих органів в абразивному середовищі, а саме леза дискових копачів, зміцненого зносостійким матеріалом змінної товщини.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і виготовлено експериментальні диски із зміцненою крайкою лез змінної товщини, які пройшли виробниче випробування в ТОВ „Зоря” В.-Бурлуцького району і СФГ „Віктор” Вовчанського району Харківської області. Дослідження показали перевагу розроблених дисків над серійними за рахунок самозагострення леза під час формоутворення зубчастої поверхні. Це дало змогу підвищити працездатність дисків викопуючого пристрою та впровадити їх у серійне виробництво у ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”.

Розроблено і виготовлено лабораторне устаткування для визначення геометричних параметрів профілю леза дисків викопуючого пристрою, яке використовується в навчальному процесі ХНТУСГ імені Петра Василенка.

Техніко-економічний ефект від впровадження розроблених дисків викопуючого пристрою складає 1050 грн на одну машину.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Положення дисертаційної роботи доповідались: на щорічних міжнародних науково-практичних конференціях (МНПК) ХНТУСГ імені Петра Василенка (м. Харків, 2000-2006 рр.); на МНПК „Технічний прогрес в сільськогосподарському виробництві” (ННЦ „ІМЕСГ”, смт. Глеваха, 2002-2003 рр.); на МНПК „Науково-технічні засади розробки, випробування і прогнозування перспективної сільськогосподарської техніки і технологій” (УкрЦВТ, смт. Дослідницьке, 2003 р.); на МНПК „Сучасні проблеми землеробської механіки” (ВДАУ, м. Вінниця, 2004 р.); на МНПК „Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (ТДТУ імені Івана Пулюя, м.Тернопіль, 2004 р.); на МНПК „Сучасні проблеми землеробської механіки” (ТДАТА, м. Мелітополь, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 10 статей у фахових виданнях, у тому числі 4 одноосібних. Отримано 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 173 найменувань, 15 додатків. Повний обсяг дисертації викладено на 171 сторінці, з них основну частину – на 131 сторінці, містить 12 таблиць, 76 рисунків і додатків на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету і завдання досліджень, наведені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі "Стан питання та постановка завдань дослідження" проаналізовано існуючі технології виготовлення викопуючих робочих органів з точки зору підвищення їх працездатності та довговічності.

У другому розділі „Теоретичне дослідження підвищення працездатності дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини” обґрунтовані передумови створення дисків викопуючого пристрою зі зміцненим робочим шаром.

Порушення технологічного процесу збирання коренеплодів пов’язане із зміною технологічних параметрів викопуючого пристрою, що характеризується спрацюванням леза дисків. Виходячи з геометричних побудов представлених на рис.1. величина зазору між суміжними дисками в подальшій стадії спрацювання може бути визначена наступною залежністю:

Рис. 1.

, (1)

де – прийнята висота трикутника неспрацьованого леза; – товщина диска; – кут загострення леза; – кут встановлення дисків копача.

Відстань між крайкою леза і поверхнею переднього барабана гвинтового очисника. визначається рівнянням:

. (2)

Аналіз отриманих залежностей (1, 2) показує, що при спрацюванні леза дисків і збільшенні кута загострення від початкового (рис. 2), відстань між крайкою леза дисків та барабаном гвинтового очисника нелінійно збільшується до граничних значень, обумовлених виконанням технологічного процесу збирання коренеплодів.

Рис. 2.

Для дослідження процесу спрацювання леза дисків при взаємодії з ґрунтом використано лінійний закон Хрущова-Бабічева зміни інтенсивності спрацювання від питомого тиску.

Тяговий опір переміщенню робочого органу визначається величинами рівнодіючої , нормальної сили та сили тертя , які залежать від кутів загострення та тертя (рис. 3). При розкладі сили на дві складові, одна з них визначає спрацювання леза в радіальному напрямку , друга характеризує зміщення фаски леза . Дія сил на профіль леза розподіляється по його поверхні як питомий тиск.

Рис. 3.

В процесі спрацювання кут загострення , товщина леза і довжина фаски, що визначають профіль леза як правило змінюються. Рівняння товщини леза дисків, що визначається спрацюванням в радіальному напрямку, можна записати у вигляді:

. (3)

Приймаючи за основу лінійний закон інтенсивності спрацювання від питомого тиску, спрацювання в радіальному напрямку та зміщення фаски леза відповідно дорівнюють:

, (4)

, (5)

де – коефіцієнт спрацювання, який залежить від властивостей ґрунту і зносостійкості матеріалу; – питомий тиск від дії сил ; – шлях тертя (напрацювання).

Підставляючи (4) і (5) в (3), отримали:

. (6)

При досягненні самозагострення (), кут загострення дорівнює:

. (7)

Рівняння для визначення спрацювання по товщині леза при двошаровому виконанні отримано у вигляді:

. (8)

До (8) входять коефіцієнти спрацювання основного та зносостійкого шарів, якими можна корегувати процес спрацювання.

В зв’язку з цим, запропоновано новий метод зміцнення робочої поверхні леза дискового копача зносостійким матеріалом. Сутність методу полягає в формоутворенні виступів і заглиблень в основному шарі металу методом накочування з наступним зміцненням за існуючою технологією (рис. 4).

Рис. 4.

Передумовами формоутворення зубчастої поверхні леза дискового копача є визначення параметрів зміцнення зносостійким матеріалом робочої поверхні леза (рис. 5).

Рис. 5.

Процес формоутворення зубців обумовлений різницею інтенсивності спрацювання в радіальному напрямку ділянок леза, що мають різну товщину зносостійкого шару:

, (9)

де , – інтенсивність спрацювання ділянки леза з мінімальною і максимальною товщиною зносостійкого шару.

Визначаючи вплив параметрів зносостійкого шару на інтенсивність спрацювання леза, прийняли припущення стосовно перерозподілу тиску на лезі: при зростанні висоти зубців і довжини ділянки леза з мінімальною товщиною зносостійкого шару питомий тиск, що діє в радіальному напрямку і приходиться на ділянку , зменшується прямо пропорційно висоті зубців і обернено пропорційно довжині цієї ділянки, а на ділянку леза з максимальною товщиною – збільшується таким же чином.

Виходячи з цього припущення, рівняння спрацювання ділянок леза з різною товщиною зносостійкого шару має вигляд:

; , (10)

де , – сумарні товщини леза на ділянках , ;

– коефіцієнт пропорційності.

При підстановці (10) до (9), і виконуючи перетворення на основі прийнятих припущень і виконаних замін, отримано неоднорідне лінійне рівняння:

, (11)

що має інтегруючий множник:

, (12)

де ;

.

Оскільки при стабілізації профілю не залежить від напрацювання, можна записати , тоді загальний розв’язок (11) має вигляд:

, (13)

де – сталий коефіцієнт.

Після інтегрування і визначення (при початкових умовах: , ) зміна висоти зубців визначається рівнянням:

. (14)

При формула спрощується, а висота зубців приймає максимальне значення:

. (15)

Для аналізу впливу параметрів зносостійкого шару на інтенсивність формоутворення зубців проведена підстановка значень та в рівняння 15:

. (16)

Аналіз отриманої залежності (16) показує, що визначити кількісний вплив параметрів зносостійкого шару на процес формоутворення зубців представляє складності. У зв’язку з цим прийнята спрощена схема розрахунку, коли вплив кута загострення не враховується рис. 6.

Рис. 6.

На підставі прийнятого припущення отримана відповідна залежність для дослідження закономірностей впливу параметрів зносостійкого шару на процес формоутворення зубців:

. (17)

Коефіцієнти спрацювання і , що входять в (17), можна виразити через безрозмірні приведені величини , , які характеризують властивість матеріалу протистояти спрацюванню:

; , (18)

де – зносостійкість основного і зносостійкого шарів.

Тоді: . (19)

З урахуванням коефіцієнта пропорційності можна зробити висновок про можливість використання (19) для дослідження закономірностей впливу параметрів зносостійкого шару на інтенсивність формоутворення зубчастої поверхні. Виходячи з цього, визначено вплив параметрів , , на висоту формоутворення зубців (рис. 7, 8, 9).

Рис. 7. Рис. 8. Рис. 9.

На підставі встановленої закономірності формоутворення поверхні леза визначено параметри зносостійкого шару, що забезпечують інтенсивне формоутворення зубців на робочій поверхні диска: довжина ділянки леза = 15...30 мм; = 15...20 мм; максимальна товщина зносостійкого шару = 3,5...5 мм.

У третьому розділі "Експериментальні дослідження з підвищення працездатності дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини". Експериментальні дослідження проведено для перевірки теоретичних передумов формоутворення зубчастої поверхні.

Для визначення величин радіального спрацювання ділянок леза з різними параметрами зносостійкого шару виконано допоміжні бази на лицевій поверхні диска (рис. 10).

Рис. 10.

Для дослідження процесу спрацювання розроблені диски підлягали вимірюванню для визначення геометричних параметрів: товщини леза та кута загострення згідно з запропонованою методикою (рис. 11, 12).

Рис. 11.

При визначенні товщини леза і кута загострення прийнято припущення про можливість вписання кола в контур крайки леза (рис. 12).

Середній кут загострення профілю леза визначається за формулою:

, (20)

де – попередньо виміряний розмір профілю леза; – наступний виміряний розмір профілю леза; – крок вимірювань профілю леза; – кількість вимірювань.

Радіус вписаного кола визначається за формулою:

, (21)

де – ширина леза на висоті від вершини профілю леза; – виміряний розмір від крайки леза до попереднього кроку .

Товщина леза визначається за формулою:

. (22)

Рис. 12.

Результатами експериментальних досліджень розроблених дисків підтверджена передумова формоутворення зубчастої поверхні леза при спрацюванні (рис. 13).

Рис. 13.

Для встановлення залежності інтенсивності спрацювання від товщини леза досліджено процес спрацювання серійних дисків у ґрунтовому каналі, зміцнених зносостійким матеріалом різної товщини, враховуючи, що інтенсивність спрацювання обернено пропорційна його товщині:

. (23)

Рис. 14. Встановлена експоненціальна залежність інтенсивності спрацювання від товщини

леза: , (24)

де – сталі коефіцієнти, що визначаються за допомогою методу найменших квадратів.

Рис. 15

За результатами виконаних досліджень встановлено раціональні параметри леза за інтенсивністю формоутворення зубчастої поверхні і самозагостренням: крок розташування заглиблень = 45мм – = 2,5 мм, яким відповідають середня інтенсивність спрацювання впадин = 0,0139 мм/га, зубців = 0,008 мм/га, середня висота зубців за означеним напрацюванням = 1,39 мм, середній ресурс копача = 1441 га.

Ефективність розробленого методу зміцнення робочої поверхні підтверджується даними, які наведені в табл. 2.

У четвертому розділі "Виробничі випробування та економічна ефективність результатів досліджень" наведено результати виробничих випробувань розроблених дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини. Сумарне напрацювання складає 240 га.

Результати досліджень впроваджені ВАТ "Тернопільський комбайновий завод"

Економічний ефект від впровадження розроблених дисків викопуючого пристрою складає 1050 грн на одну коренезбиральну машину.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, яке виявляється в обґрунтуванні методу підвищення працездатності та параметрів розроблених дисків викопуючого пристрою коренезбиральної машини, що дозволило впровадити їх у серійне виробництво ВАТ "Тернопільський комбайновий завод".

1. Проведеним аналізом результатів досліджень з технології виготовлення та процесу спрацювання робочих органів сільськогосподарських машин, які взаємодіють з ґрунтом встановлено, що одним з перспективних напрямків підвищення працездатності та довговічності є зміцнення леза зносостійким матеріалом змінної товщини. При виконанні функції призначення це сприяє самозагостренню леза і формуванню на робочій поверхні зубців.

2. Для встановлення закономірностей формоутворення зубчастої поверхні на лезі дисків викопуючого пристрою побудовано математичну модель спрацювання їх робочої поверхні, яка формується зі зносостійкого шару змінної товщини. Встановлено закономірність формоутворення зубців за рахунок різної інтенсивності спрацювання ділянок леза дисків, що мають різну товщину зносостійкого шару (19).

3. Виходячи з одержаної математичної моделі формоутворення зубчастої поверхні леза, зміцненого зносостійким матеріалом змінної товщини, встановлено закономірності впливу параметрів зносостійкого шару на інтенсивність формоутворення при виконанні технологічного процесу. Визначено параметри зносостійкого шару, що забезпечують інтенсивне формоутворення зубців на робочій поверхні диска: довжина ділянки леза становить 15...30 мм; = 15...20 мм; максимальна товщина зносостійкого шару = 3,5...5 мм.

4. Результатами експериментальних досліджень спрацювання леза дисків визначено раціональні конструктивні параметри леза за інтенсивністю формоутворення зубчастої поверхні, самозагостренням, інтенсивністю спрацювання та напрацюванням до відмови: крок розташування заглиблень = 45...47 мм, глибина – =2,5...2,7 мм, довжина – = 15...20 мм, яким відповідають інтенсивність спрацювання впадин = 0,0139 мм/га, зубців = 0,008 мм/га, висота зубців за напрацюванням 240 га – = 1,39 мм, ресурс копача = 1441 га, при нормативному

напрацюванні КС-6Б 960 га. Підтверджена адекватність математичних моделей процесів спрацювання та формоутворення зубчастої поверхні розроблених дисків.

5. Виробничими випробуваннями розроблених дисків коренезбиральної машини в ТОВ „Зоря” В.-Бурлуцького району і СФГ „Віктор” Вовчанського району Харківської області з сумарним напрацюванням 240 га підтверджено їх функціональну надійність при виконанні технологічного процесу. В процесі роботи лезо розробленого диска приймає зубчасту форму та самозагострюється.

За результатами проведених досліджень розроблений робочий орган коренезбиральної машини впроваджено у серійне виробництво ВАТ "Тернопільський комбайновий завод". Економічний ефект від впровадження розроблених дисків викопуючого пристрою складає 1050 грн на одну коренезбиральну машину.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Блезнюк О.В. Удосконалення конструкції і технології виготовлення дискового копача коренезбиральної машини КС-6Б // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин: Зб. наук. пр. ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2000. – Вип. 4. – С. 158 –161.

2. Сичов І.П., Блезнюк О.В., Попович В.М. Дослідження короблення робочих органів бурякозбиральних машин при їх зміцненні // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин: Зб. наук. пр. ХДТУСГ. – Харків: ХДТУСГ, 2001. – Вип. 8. – Том 1. – С. 81 – 84.

3. Блезнюк О.В. Підвищення роботоздатності викопуючого пристрою шляхом зменшення робочого опору // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин: Зб. наук. пр. ХДТУСГ. – Харків: ХДТУСГ, 2003. – Вип. 14. – С. 272 – 275.

4. Блезнюк О.В. Дослідження технології наплавлення леза дискового копача зносостійким матеріалом перемінної товщини // Механізація сільськогосподарського виробництва: Зб. наук. пр. ХДТУСГ. – Харків: ХДТУСГ, 2003. – Вип. 21. – С. 394 – 398.

5. Блезнюк О.В. Методи визначення геометричних параметрів леза дискового копача в процесі зношування // Техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні: Зб. наук. пр. ХДТУСГ.–Харків:ХДТУСГ,2004.–Вип.24. – С.289–293.

6. Козаченко О.В., Блезнюк О.В. Дослідження по підвищенню роботоздатності дискових копачів коренезбиральної машини // Механізація сільськогосподарського виробництва: Вісник ХНТУСГ. – Харків: ХНТУСГ, 2004. – Вип. 29. – С. 211 – 214.

7. Козаченко О.В., Блезнюк О.В. Новий метод зміцнення робочих органів сільськогосподарських машин // Праці 1-ої Міжнародної науково-практичної конференції ТДТУ. "Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин". – Тернопіль: ТДТУ, 2004. – С. 632 – 635.

8. Козаченко О.В., Блезнюк О.В. Теоретичне обґрунтування можливості утворення зубців на лезі дискового копача, наплавленого зносостійким матеріалом перемінної товщини // Вдосконалення технологій та обладнання виробництва продукції тваринництва: Вісник ХНТУСГ. – Харків: ХНТУСГ, 2005. – Вип. 42. – С. 138 – 147.

9. Козаченко О.В., Блезнюк О.В. Дослідження по зміцненню леза дискових копачів коренезбиральної машини КС-6Б // Зб. наук. пр. ВДАУ. – Вінниця: ВДАУ, 2005. – Вип. 21.– С. 185 – 189.

10. Козаченко О.В., Блезнюк О.В. Обґрунтування методу підвищення роботоздатності викопуючих дисків коренезбиральної машини КС-6Б // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Мелітополь: ТДАА, 2006.– Вип. 40.– С. 97– 105.

11. Дисковий копач коренезбиральної машини: Д.п. 56556А Україна, МКВ А01Д25/04 / Мартиненко В.Я., Козаченко О.В., Сичов І.П., Блезнюк О.В., ВовкЯ.Ю., Павлов Я.А., Безпальок А.П. (Україна).– 2002076009; Заявл. 19.07.2002; Опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 2 с.