ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КОБЕЦЬ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ
УДК 631.356.42
Обґрунтування РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ І ПАРАМЕТРІВ РОБОЧИХ ОРГАНІВ ДЛЯ ВИДАЛЕННЯ ГИЧКИ КОРМОВИХ БУРЯКІВ
05.05.11 – машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ВІННИЦЯ - 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор
Кобець Анатолій Степанович,
Дніпропетровський державний аграрний
університет, перший проректор –
проректор з навчальної роботи
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гевко Роман Богданович,
Тернопільський національний економічний
університет, завідувач кафедри інженерного менеджменту, декан факультету аграрної економіки і менеджменту;
кандидат технічних наук, доцент
Хомик Надія Ігорівна,
Тернопільський державний технічний університет
імені Івана Пулюя, доцент кафедри технічної
механіки і сільськогосподарського машинобудування
Захист відбудеться ”22” листопада 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.854.02 у Вінницькому державному аграрному університеті, за адресою: 21008, м. Вінниця, вул. Сонячна, 3, мод. 4.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного аграрного університету, за адресою: 21008, м. Вінниця, вул. Сонячна, 3.
Автореферат розісланий “18” жовтня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Берник П.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Кормові коренеплідні культури, зокрема кормовий буряк, є одним з головних джерел соковитих кормів, які незамінні для тварин в зимовий період годування. Сучасні технології вирощування кормових буряків забезпечують отримання високих врожаїв коренеплодів (800…1000ц/га), однак збільшення обсягів виробництва цієї культури стримується досить низьким рівнем механізації вирощування і, особливо, збирання.
Однією з відповідальних операцій при збиранні кормових буряків, яка визначає можливість тривалого зберігання коренеплодів, є процес видалення гички. Від показників проведення цієї операції залежить можливість якісного збирання коренеплодів з мінімальним забрудненням вороху вільною та зв’язаною гичкою, а також мінімальними пошкодженнями в процесі очищення вороху коренеплодів.
На існуючих машинах для видалення гички кормових буряків використовуються комбіновані робочі органи ріжучої та ударної дії, які досить матеріало- та енергомісткі. Використання таких машин на відносно невеликих площах економічно недоцільне.
Зважаючи на біологічні особливості кормових буряків, найбільш пер-спективним є видалення гички з використанням еластичних робочих органів, принцип роботи яких базується на ударній та очісуючій дії робочих елементів.
Тому розробка робочого процесу і робочих органів для видалення гички кормових коренеплодів та обґрунтування їх оптимальних конструктивно-кінематичних параметрів з метою підвищення якісних показників роботи гичкозбиральних машин є актуальною народногосподарською задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з держбюджетною та госпдоговірною тематикою Дніпропетровського державного аграрного університету у період з 1993 по 2006 роки.
Виконані дослідження проведені відповідно до державної наукової тематики кафедри сільськогосподарських машин ДДАУ (д.р. №0101U004230) та в рамках “Національної програми розробки і виробництва комплексів машин і обладнання для сільського господарства, харчової та переробної промисловості” при співробітництві з КВП “Дніпропетровський комбайновий завод”.
Мета і задачі досліджень. Мета роботи ? підвищення якості видалення гички кормових буряків шляхом розробки конструкції гичковидаляючого пристрою та обґрунтування його конструктивно-кінематичних параметрів.
Для досягнення мети в роботі поставлені наступні задачі:
- на основі проведеного аналізу процесу видалення гички кормових буряків обґрунтувати конструктивно-технологічну схему гичковидаляючого пристрою;
- провести дослідження агробіологічних та механіко-технологічних властивостей гички кормових буряків у зв’язку з процесом її видалення еластичними робочими органами;
- розробити математичну модель процесу взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом та вивести аналітичні залежності для визначення оптимальних параметрів такої взаємодії;
- провести лабораторні експериментальні дослідження гичковидаляючого пристрою для оптимізації конструктивно-кінематичних параметрів;
- провести польові експериментальні дослідження пристрою, визначити опти-мальні агротехнічні показники роботи очисника гички кормових буряків;
- провести порівняльну оцінку ефективності використання очисника гички, який обладнано запропонованим пристроєм, і базової машини.
Об'єкт досліджень: технологічний процес видалення гички кормових буряків.
Предмет досліджень: технологічні та конструктивно-кінематичні параметри пристрою для видалення гички кормових буряків.
Методика досліджень. Теоретичні дослідження базувалися на механіко-математичному моделюванні процесу видалення гички еластичним робочим органом з використанням положень вищої математики, теоретичної механіки та математичної статистики. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних умовах на спроектованому і виготовленому стенді та в польових умовах з використанням дослідного зразка машини. При плануванні та проведенні лабораторно-польових досліджень застосовувалися методи планування багатофакторного експерименту. Теоретичні розрахунки, статистична обробка експериментальних даних проводились з використанням розроблених та стандартних прикладних програм для ПК.
Наукова новизна отриманих результатів. На основі розробленої математичної моделі процесу взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом, аналізу її розв’язку, а також проведених експериментальних досліджень на фізичній моделі та реальній машині вперше визначено раціональні конструктивно-кінематичні параметри гичковидаляючого пристрою очисника гички кормових буряків.
Проведено теоретичний аналіз процесу видалення гички буряків еластичним робочим органом на основі дискретної теорії удару та на його підставі вперше отримано аналітичні залежності для визначення раціональних параметрів гичковидаляючого пристрою.
Вперше визначено окремі агробіологічні та механіко-технологічні властивості гички кормових буряків.
Встановлено закономірності впливу конструктивно-кінематичних параметрів запропонованого гичковидаляючого пристрою на агротехнічні показники роботи очисника гички кормових буряків в польових умовах.
Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано й експериментально обгрунтовано конструкцію гичковидаляючого пристрою з раціональними значеннями параметрів, що дозволяє забезпечити виконання агротехнічних вимог до збирання гички коренеплодів кормових буряків у діапазоні умов, характерних для більшості районів України.
На основі проведеного комплексу експериментальних досліджень на розробленому і виготовленому стенді та дослідному зразку очисника гички кормових буряків отримано аналітичні регресійні залежності, які характеризують вплив конструктивно-кінематичних параметрів на ефективність роботи пристрою.
Результати роботи прийняті для використання СКБ КВП “Дніпропетровський комбайновий завод” при проектуванні бурякозбиральної техніки.
Розроблена машина випробовувалася протягом кількох років у господарствах Дніпропетровської та Кіровоградської областей, при цьому було відзначене виконання агротехнічних вимог при врожайності кормових буряків 60…80т/га. Лабораторний стенд для дослідження гичковидаляючих робочих органів використовується в навчальному процесі на факультеті механізації Дніпропетровського державного аграрного університету.
Технічна новизна виконаних розробок захищена двома патентами України на винаходи.
Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи здобувачем отримані особисто. Безпосередня участь здобувача полягає в аналізі стану механізації збирання гички кормових буряків та постановці задач досліджень [1;3]. Запропоновано конструктивно-технологічну схему гичковидаляючого пристрою з еластичними робочими органами [12;13]. У теоретичних дослідженнях здобувачем проведено розробку математичної моделі, алгоритму та програми обчислень [5;7]. В працях [2;4;8] внесок здобувача полягає в плануванні багатофакторних експериментів, виготовленні лабораторної установки та експериментального зразка машини, а також проведенні лабораторно-польових досліджень з наступною обробкою результатів експериментів. За матеріалами дисертації отримано два патенти України на винаходи, в яких частка співавторів однакова. Основні результати роботи отримані автором самостійно, постановка задач, аналіз і трактування отриманих результатів виконані спільно з науковим керівником.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи проходили апробацію на: щорічних науково-практичних конференціях і семінарах ДДАУ (1995-2006р.р.), міжнародній науково-технічній конференції з питань розвитку механізації, електрифікації, автоматизації та технічного сервісу АПК в умовах ринкових відносин (Глеваха, 1995р.), міжнародній науково–практичній конференції “Проблеми та перспективи створення бурякозбиральної техніки “ (Вінниця, 1996р.), другому міжнародному симпозіумі по механіці еластичних матеріалів (Дніпропетровськ, 1997р.), міжнародній науково–практичній конференції “Перспективні технології вирощування та збирання цукрових буряків “ (Київ, 1997р.), міжнародній науково–практичній конференції “Технічний прогрес у рослинництві“ (Харків, 2000р.), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва” (Полтава, 2006р.).
Публікації. Основні матеріали по темі дисертаційної роботи відображені в 13 публікаціях (серед яких 5 статей у наукових фахових виданнях та 2 патенти на винаходи).
Науковий підсумок роботи полягає в тому, що на підставі теоретичних й експериментальних досліджень та їхніх узагальнень на якісному і кількісному рівнях сформульовані положення в напрямку підвищення якісних показників роботи гичковидаляючого пристрою для збирання гички кормових буряків.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури із 162 найменувань, та 11 додатків. Основна частина викладена на 155 сторінках, містить 62 рисунки і
12 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 198 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, наведено мету, об’єкт, предмет, методи та задачі досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі наведено класифікацію робочих органів для видалення гички кормових буряків, проведено аналіз роботи пристроїв для видалення гички кормових буряків та машин в цілому, а також обґрунтовано вибір робочого органу для проведення досліджень.
Встановлено, що найбільш раціональним способом збирання гички кормових буряків є однофазне видалення еластичними робочими органами за рахунок ударно-зчісуючої дії такого пристрою на об’єкт обробітку. Це зумовлено високим ступенем варіювання розташування головок кормових буряків над поверхнею грунту, значним відхиленням коренеплодів від осьової лінії рядка, відносно незначними силами зв’язку коренеплодів з ґрунтом, наявністю супутніх бур’янів, механіко-технологічними властивостями гички кормових буряків та іншим факторами. Існуючі технічні засоби механізації збирання гички кормових буряків не забезпечують виконання процесу у відповідно з існуючими агровимогами, мають високу вартість та, крім того, значну енергомісткість процесу.
Дослідженню технологічних процесів та робочих органів для видалення гички буряків присвячені праці відомих вчених П.М. Василенка, Л.В. Погорілого, Ю.Б. Ава-несова, А.К. Сарапулова, В.М. Булгакова, Р.Б. Гевка, І.П. Сичова, М.М. Хелемендика, Б.П. Шабельника. Вагомий внесок у розвиток теоретично-конструктивних аспектів технологічних процесів видалення гички буряків зробили такі науковці як М.В. Та-тьянко, М.О. Огуречніков, П.В. Савич, О.П. Гурченко, В.Я. Мартиненко, М.І. Пили-пець, М.Г. Данильченко, В.С. Глуховський, М.Н. Мішин, В.М. Барановський, Я.І Ко-зіброда, Я.А. Павлов, В.Д. Орехівський, О.О. Сипливець та ін.
Аналіз роботи відомих пристроїв для видалення гички кормових буряків довів, що найбільш перспективними в цьому відношенні є двовальні очисники з горизонтальною віссю обертання, які обладнуються еластичними робочими органами. Такі пристрої, за попередніми даними досліджень, мають відносно просту будову, забезпечують виконання процесу у відповідності до існуючих вимог, мають високу надійність та низьку енергомісткість виконання операції. Враховуючи це, в основу роботи покладено дослідження потенційних можливостей та визначення раціональних параметрів еластичних робочих органів при видаленні гички кормових буряків.
У другому розділі наведено теоретичне обґрунтування процесу взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом. Визначено об’єкт дослідження та обґрунтувано вихідні дані, а також наведено алгоритм чисельного вирішення аналітичних залежностей з отриманням параметрів взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом.
Дискретну модель удару використано для аналізу деформацій і сил, що виникають в системі “еластичний робочий орган – коренеплід” під час їх взаємодії. При цьому замість однорідного стержня, яким є еластичний робочий орган (било), пропонується приймати дискретну систему, що складається з кінцевого числа окремих елементів, на які розбивається стержень (рис. 1). |
Система “било–коренеплід” характеризується наступними геометричними, кінематичними та силовим параметрами: - радіус обертання точки кріплення била до ротора – r; - вільна довжина – відстань від точки кріплення до кінця била – ?; - перекриття билом коренеплоду – ?; - кутова швидкість била – щ.
Сили, які діють на коренеплід з боку еластичного робочого органу: F – ударна сила, Р – сила зчісування череш-ків гички, Fтр – сила тертя робочого органу по коренеплоду, N нормальна реакція взаємодії била з коренеплодом.
Рис. 1. Розрахункова схема системи
било?коренеплід
При розгляді дискретної системи било розбивається на n елементів довжиною dx. У перетині з координатою x на елементарну ділянку била будуть діяти поздовжня сила S, поперечна сила Q, та згинальний момент M.
Вирази, що зв'язують сили і моменти з переміщенням, будуть мати наступний вигляд:
- поздовжня сила в перетині x
, (1)
де E -модуль пружності;
Fб -площа перетину била;
u -поздовжнє переміщення;
- поперечна сила
, (2)
де -коефіцієнт, що залежить від форми перетину;
G -модуль пружності другого роду;
-кут зміщення вектора поперечної сили Q відносно площини перетину.
Якщо кут повертання перетину била позначити через , а поперечне переміщення -V, то кут повороту між осями елемента dx і ox визначається як
. (3)
Тоді для Q одержимо
. (4)
Згинальний момент
, (5)
де I - осьовий момент інерції перетину била.
Якщо било розділити на n частин, то для достатньо великого значення n сила між елементом k і елементом k+1 може бути розрахована за формулою
, (6)
де uk+1, uk -переміщення відповідних елементів;
x -відстань між центрами елементами, рівна по довжині кожному з них.
Позначивши поздовжню жорсткість частини била, довжиною x, через Cи, замість цього виразу одержимо
, (7)
де .
Аналогічно для поперечної сили між цими ж елементами можна одержати, що
, (8)
де - поперечна жорсткість.
Згинальний момент в даному перетині визначаємо з виразу
, (9)
де - згинальна жорсткість.
Під час роботи била частина його елементів взаємодіє з коренеплодом і сприймає робоче навантаження, причому k-тий елемент навантажується силою Fk, яка може бути визначена в першому наближенні як
, (10)
де Ck - коефіцієнт контактної жорсткості.
Сила тертя, що виникає під час удару при ковзанні k-того елемента по коренеплоду може бути визначена за формулою
, (11)
де f - коефіцієнт тертя ковзання матеріалів “било -коренеплід”.
Виходячи з дискретної моделі удару, введено основні припущення, які дозволяють провести теоретичне обґрунтування процесу взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом з достатньою точністю опису процесів, що проходять при цій взаємодії: - маса елементів, на які розбивається било, зосереджена в центрі мас кожного з них; - осьові моменти інерції визначаються для не деформованих елементів і в процесі взаємодії била з коренеплодом вважаються незмінними; - розсіювання енергії не враховується, матеріал била пружний і взаємодія з коренеплодом пружна; - на початку удару усі елементи мають однакову кутову швидкість, а било має прямолінійну форму; - усі деформації і переміщення кожної маси відбуваються в площині xoy, тобто кожний елемент била виконує плоскопаралельний рух.
Диференціальні рівняння плоскопаралельного руху елементів била складено з припущенням, що проекції головного вектора сил, які діють у перерізі била з координатою x, на координатні осі ox і oy будуть мати вигляд
. (12)
Ці вирази справедливі для достатньо малих значень , тому диференціальне рівняння поздовжніх переміщень елементу з номером k буде мати вигляд
. (13)
В розгорнутому виді рівняння (13) з врахуванням залежностей (7; 8; 9) матиме вигляд
(14)
Аналогічно диференціальне рівняння поперечних переміщень отримано у вигляді
, (15)
або з урахуванням попередніх залежностей
(16)
Диференціальне рівняння обертання елементу
. (17)
Підставляючи в (17) попередні вирази одержимо
(18)
Диференціальні рівняння руху елементів, що контактують з коренеплодом, будуть дещо відрізнятися від вищевикладених залежностей тому, що кінець била вільний і знаходиться в контакті з коренеплодом боковою поверхнею. Тоді для елемента з номером n маємо
; (19)
; (20)
, (21)
де F - сила взаємодії останнього елемента з коренеплодом;
M - момент взаємодії.
При взаємодії з коренеплодом елемент била довжиною x (рис.2), що знаходився спочатку на вертикальній осі, відхилився від неї, повернувшись на кут , взаємодіючи при цьому з пружною перешкодою.
Для елементарної ділянки довжиною ds елементарна пружна сила може бути визначена як
, (22)
де - коефіцієнт жорсткості елементарної ділянки довжиною ds;
Vn - поперечне переміщення останнього елемента била;
S - відстань елементарної ділянки від центру елемента.
Для пружної сили отримано
. (23)
Рис.2. Розрахункова схема взаємодії
елемента била з коренеплодом
Момент сил опору відносно центру елемента:
. (24)
Диференціальні рівняння, що описують процес взаємодії робочого органу з коренеплодом, є системою диференціальних нелінійних рівнянь другого порядку. Вказані рівняння записуються у вигляді системи першого порядку - зручній для чисельного інтегрування
(25)
(26)
(27)
(28)
У системах рівнянь (25), (26) символ k змінюються від 1 до n, по числу елементів, на які розбивається било. У системі рівнянь (27) символ n приймає значення від 2 до n-1. Система рівнянь (28) записана для першого елемента у випадку жорсткого закріплення била на валу. Якщо ж зв'язок здійснюється шарніром, то система рівнянь матиме вигляд
(29)
Системи рівнянь (25)-(29) разом з початковими умовами утворює замкнуту систему диференціальних рівнянь, розв’язок якої дає можливість визначити для кожного елемента била всі переміщення і швидкості.
Для одержання чисельного розв’язку даної системи було використано метод Рунге-Кутта четвертого порядку.
На основі поданого алгоритму розроблено програму розв’язку системи рівнянь, яка дає можливість встановить поздовжні, поперечні та кутові переміщення, а також швидкості цих переміщень для кожного елементу била в довільний момент його руху після початку контакту з коренеплодом. У програмі передбачена можливість розподілу била на довільну кількість відрізків n. Крок інтегрування в зв'язку з швидкоплинністю процесу взаємодії била з коренеплодом прийнятий рівним 0,0001 с.
У третьому розділі наведено методику та програму експериментальних досліджень з використанням стандартних та розроблених методик та технічного забезпечення. Наведено опис лабораторного стенду, установок та обладнання, які було використано під час проведення експериментальних досліджень.
Програма експериментальних досліджень передбачала визначення агротехнічних та механіко-технологічних властивостей гички кормових буряків, визначення конструктивних параметрів і оптимальних режимів роботи гичковидаляючого пристрою з еластичними робочими органами, проведення польових досліджень для визначення основних агротехнологічних показників, визначення та порівняння ефективності використання удосконаленої та базової машин.
Для проведення лабораторних досліджень було розроблено та виготовлено лабораторний стенд, в основу роботи якого покладено принцип рухомого поля (рис.3). На будову і принцип роботи лабораторного стенда одержано патент України № 12491А.
Рис.3. Лабораторний стенд для дослідження гичко-видаляючих робочих органів: 1–рама; 2–рухома платформа; 3–модель коренеплоду; 4–при-від робочих органів; 5–робочі органи; 6–реєструючий при-стрій; 7–тахометр; 8–пульт керування.
Для проведення лабораторно-польових досліджень та порівняльних випробувань використано експериментальний зразок машини на базі очисника головок кормових буряків ОГД-6, на який було встановлено експериментальні робочі органи.
З метою оптимізації параметрів та режимів роботи гичковидаляючого пристрою використано стандартні математично-статистичні методи та прикладні програми для ПК по плануванню та обробці результатів багатофакторних експериментів з метою отримання емпіричних регресійних залежностей.
У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень механіко-технологічних властивостей гички кормових буряків, лабораторних досліджень еластичних робочих органів для видалення гички кормових буряків, польових досліджень експериментального зразка очисника кормових буряків від гички.
За результатами проведених експериментальних досліджень одержано:
- агробіологічні та механіко-технологічні характеристики гички кормових буряків;
- регресійні залежності кількості взаємодій робочого органу з коренеплодом та зусилля, що діє на коренеплід з боку робочих органів від обраних факторів;
- оптимальні показники виконання технологічного процесу видалення гички кормових буряків з використанням запропонованого гичковидаляючого пристрою.
В результаті визначення та аналізу властивостей гички кормових буряків встановлено, що вони мають досить високу ступінь варіювання, на що вказують середнє квадратичне відхилення і коефіцієнт варіації показників. У найбільш значних межах варіюється маса гички, яка в свою чергу знаходиться в прямій залежності від маси коренеплоду. Більша ступінь варіювання цього показника характерна для сорту Екендорфський жовтий, у якого маса гички коливається від 0,8 до 1,7кг при коефіцієнті варіації 62,4%. Дещо менша ступінь варіювання цього показника характерна для сорту Переможець – від 0,85 до 1,55кг при коефіцієнті варіації 51,4%.
Ударна в’язкість гички кормового буряку визначалася з допомогою маятникового копра КМ-4. При цьому проводилося визначення ударної в’язкості гички при дії різних матеріалів (сталь і гума), а також при різній вологості (від свіжозрізаної до повної втрати тургору гичкою).
Аналіз результатів досліджень свідчить про те, що затрати енергії на руйнування черешка листка ударним навантаженням тіла, що виконано із гуми, на 25-28% вище в порівнянні з аналогічним показником для тіла виконаного із сталі. Це пояснюється тим, що частина енергії удару в першому випадку витрачається на пружну деформацію гуми.
Таке співвідношення показників затрати енергії характерно для зони, в якій знаходяться 70-75% листків (по масі). На рис. 4 ця зона виділена штриховкою.
Рис. 4. Залежність енергії А, затра-
ченої на руйнування черешка, від
площі поперечного перетину Sч:
1 – гума; 2 – сталь.
Як свідчать результати досліджень, значний вплив на затрати енергії для руйнування зразка гички має вологість. Графічні залежності затрат енергії на руйнування зразків від вмісту води в черешку представлено на рис. 5.
Рис. 5. Затрати енергії А на руйнування черешка ударом в залежності від площі
поперечного перетину Sч при різних значеннях вологості зразка W
При проведенні досліджень було використано гумовий робочий елемент в зв’язку з тим, що експериментальні робочі органи виготовлені саме з гуми. Аналіз графічних залежностей свідчить про те, що в робочій зоні (на рис. 5 позначена штриховкою) затрати енергії на руйнування зростають із зменшенням вмісту води у зразку. Так, при зменшенні вмісту води у зразку з 96 до 74% затрати енергії на руйнування збільшуються з 0,8...0,85 до 1,4...1,5Дж, тобто в 1,7-1,8 рази.
Це пояснюється перш за все тим, що при втраті тургору черешки листків гички набувають пластичних властивостей, втрачаючи крихкість.
У відповідності до цього можна прогнозувати збільшення затрат енергії на процес видалення гички кормових буряків при більш пізніх термінах збирання, або ж після дії на плантації кормових буряків заморозків.
В ході проведення експериментальних досліджень з використанням лабораторного стенду (рис.6) було реалізовано стандартну план-матрицю Бокса-Бенкіна, яка передбачає проведення 13 експериментів з кількістю повторностей 5.
За результатами проведення лабораторних досліджень та обробки отриманих даних одержано регресійні залежності основних характеристик процесу взаємодії еластичних робочих органів з моделлю коренеплоду.
Регресійна залежність кількості взаємодій N від основних конструктивно-технологічних параметрів: V – швидкості руху (м/с), nр – частоти обертання ротора з робочими елементами (хв-1), та кількості робочих елементів k (шт.) має такий вигляд
N = 8,54 – 0,79V + 0,98nр+ 2,42k – 0,58V2 - 1,54Vk + 0,41k2. (30)
Регресійна залежність сили F, що діє на коренеплід з боку робочих елементів, від тих же параметрів
F=103,73 + 5,95V – 7,1nр – 0,26k – 12,86V2 + 0,06Vnр + 3,54Vk – 1,28k2. (31)
Аналіз отриманих регресійних залежностей виконувався з допомогою двомірних перетинів і при цьому вирішувалася компромісна задача, в якій необхід-но було знайти значення факторів, які давали мінімальну силову дію на коренеплід з боку робочих органів при максимальній кількості взаємодій робочих елементів з коренеплодом. Двомірні перетини поверхонь відгуку, що характеризують силову дію робочих органів на коренеплід і кількість взаємодій робочих елементів з го-ловкою коренеплоду в залежності від швидкості (V) і від частоти обертання ротора
гичковидаляючого пристрою (nр), побудовано для нульового значення фактора кількості робочих елементів (k=4) (рис. 7 та рис. 8).
Аналіз регресійних залежностей показує, що домінуючими факторами, які мають найбільш суттєвий вплив на силові показники дії еластичних робочих органів на коренеплід, є частота обертання ротора nр та швидкість руху V.
Рис. 6. Процес взаємодії експериментальних
робочих органів з моделлю коренеплоду
а) б)
Рис.7. Поверхня відгуку (а) та двомірний перетин (б) кількості взаємодій N робочих елементів з коренеплодом від швидкості руху V та частоти обертання ротора nр
а) б)
Рис. 8. Поверхня відгуку (а) та двомірний перетин (б) сили дії F на коренеплід від швидкості руху V та частоти обертання ротора nр
У результаті оптимізаційного розрахунку рівнянь регресії по кількості взаємодій N та зусиллю F, що діє на коренеплід з боку робочих елементів, за методом двомірних перетинів встановлено наступне. Кількість взаємодій робочих елементів з коренеплодом N при всіх значеннях факторів, які досліджувалися, має мінімально-допустимі межі (Nmin= 18..22) (див. рис. 7). Ударна сила F з боку робочих елементів на модель коренеплоду, яка не перевищує допустимих показників по силам звязку коренеплодів з грунтом (50…70Н), забезпечується при частоті обертання ротора nр=350…450хв-1 та швидкості руху V=1,0…1,6м/с.
У відповідності до отриманих результатів аналізу регресійних залежностей задача зводиться до оптимізації по силовій дії на головку коренеплоду з боку робочих органів шляхом проведення досліджень на натуральних коренеплодах в польових умовах.
Лабораторно-польові дослідження експериментальних робочих органів для видалення гички кормових буряків проводилися на базі очисника головок цукрових буряків ОГД-6 (рис. 9). При цьому на обох валах базової машини були встановлені за допомогою розробленого вузла кріплення експериментальні робочі органи – гумові шнури діаметром 10мм (ГОСТ 6467-79).
Рис. 9. Загальний вид очисника гички кормових буряків
Лабораторно-польові дослідження були проведені згідно рандомизованої план-матриці експерименту типу ПФЕ 32, при цьому за результатами математичної обробки експериментальних даних отримано рівняння регресії у натуральних величинах Пк, е=f(щр, Vр): ступеня пошкоджень коренеплодів і їх очищення від гички е від кутової швидкості валів з робочими органами щр та робочої швидкості руху очисника Vр у межах зміни факторів: 31 щр 52 (с-1); 1,0 Vр 2,2 (м/с).
; (32)
. (33)
На рис. 10 наведені, відповідно, поверхня відгуку та двомірний переріз поверхні відгуку ступеня пошкоджень коренеплодів (%) (а), та ступеня очищення коренеплодів е(%) (б) від зміни кутової швидкості валів з робочими органами щр та робочої швидкості руху очисника Vр. На основі аналізу поверхонь відгуку та двомірних перетинів, встановлено, що домінуючим фактором є кутова швидкість валів з робочими органами щр ? із її збільшенням загальні пошкодження зростають від 0,65% при щр=30с-1 до 6,4% при щр=50с-1, тобто пошкодження збільшуються майже в 10 разів. При цьому характер впливу робочої швидкості руху очисника Vр на зміну загальних пошкоджень коренеплодів відносно незначний. Також встановлено, що при кутовій швидкості валів з робочими органами щр=41,5с-1 ступінь очищення коренеплодів від гички становить 1,2 і 2,9% відповідно для Vр=1,0 і 2,2м/с, тобто збільшується у 2,4 рази.
а)
б)
Рис. 10. Поверхні відгуку та двомірні перетини поверхні відгуку ступеня пошкоджень коренеплодів (%) (а) та ступеня очищення коренеплодів е(%) (б) від зміни кутової швидкості валів з робочими органами щр та робочої швидкості руху очисника Vр
Враховуючи те, що із зменшенням кутової швидкості валів з робочими органами щр якість очищення коренеплодів від гички погіршується в діапазоні робочої швидкості Vр=1,0…1,6м/с, оптимальною кутовою швидкістю валів з робочими органами є щр=40…45с-1, що відповідає частоті обертання валів nр=380…430хв-1.
Польові дослідження очисника гички кормових буряків, показують, що при збільшенні робочої швидкості руху очисника від 0,8 до 1,6м/с при частоті обертання валів 420хв-1 маса гички, що залишається на коренеплодах, збільшується, але не перевищує агротехнічно допустимого показника (3%). При швидкості руху більше 1,8м/с ступінь пошкодження, а також маса гички, що залишається на коренеплодах, різко збільшуються і при швидкості 2,2м/с і більше перевищують допустимі межі.
У п’ятому розділі наведено результати виробничої перевірки та розрахунок показників оцінки економічної ефективності використання очисника кормових буряків від гички у порівнянні з базовою машиною МБК-2,7, а також результати впровадження виконаних досліджень.
Виконаний розрахунок економічної ефективності впровадження запропонованого очисника кормових буряків від гички свідчить про доцільність його використання при збиранні кормових буряків на площах 30…50га, а розрахунковий річний економічний ефект, який досягається, в основному, за рахунок зниження експлуатаційних видатків, складає 275грн. на гектар.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вперше вирішено наукову задачу підвищення показників якості очищення коренеплодів кормових буряків від гички шляхом розробки і обґрунтування параметрів гичковидаляючого пристрою з еластичними робочими органами.
1. З аналізу існуючих машин для збирання гички кормових буряків встановлено, що якісні показники виконання технологічного процесу в більшості випадків не відповідають агротехнічним вимогам, а гичковидаляючі пристрої, які використовуються на цих машинах, мають високу матеріало- та енергомісткість і низьку надійність.
Підвищення ефективності роботи та якості виконання технологічного процесу видалення гички кормових буряків запропоновано досягти шляхом розробки конструкції гичковидаляючого пристрою з еластичними робочими органами ударно-очісуючої дії та обґрунтування його конструктивно-кінематичних параметрів.
2. Вперше теоретично обґрунтовано та наведено математичну модель взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом, складено диференціальні рівняння руху робочих органів з врахуванням процесів, які проходять в самих робочих елементах.
3. Аналіз отриманих теоретичних залежностей, що характеризують напружено-деформований стан еластичного робочого органу під час взаємодії з коренеплодом дозволив встановити, що:
- характер закріплення (жорстке або шарнірне) еластичного робочого органу на його напружено-деформований стан не впливає;
- сила взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом залежить в першу чергу від кутової швидкості била та модуля пружності матеріалу робочого органу;
- конструктивно-кінематичні параметри гичковидаляючого пристрою з еластичними робочими органами повинні визначатися з врахуванням ударного характеру процесу дії била на коренеплід (час контакту 0,0004с) при досить значних деформаціях.
4. Результати досліджень механіко-технологічних властивостей гички кормових буряків та розроблена на основі дискретної теорії удару математична модель процесу взаємодії еластичного робочого органу з коренеплодом дали можливість аналітично визначити оптимальні параметри гичковидаляючого пристрою. Чисельне моделювання на ПК дозволило встановити, що:
- кутова швидкість робочих органів не повинна перевищувати 45с-1;
- вільна довжина робочих елементів, при виготовленні їх з гуми (модуль пруж-ності Е = 20…22МПа) круглого поперечного перетину, повинна бути в межах ? = 0,2…0,25м.
5. За результатами проведених лабораторних експериментальних досліджень отримано регресійні моделі процесу видалення гички кормових буряків еластичними робочими органами у вигляді полінома другого ступеня за критеріями кількість взаємодій та сила дії на коренеплід, які при 5%-му рівні значимості адекватно відображають реальний процес.
6. У результаті проведення польових повнофакторних експериментальних досліджень роботи очисника гички кормових буряків, який обладнано запропонованим гичковидаляючим пристроєм, отримано регресійні рівняння залежностей показників якості виконання технологічного процесу від зміни кутової швидкості валів з робочими органами у діапазоні 31 щр 52 (с-1) і робочої швидкості руху очисника 1,0 Vр 2,2 (м/с). Встановлено, що домінуючим фактором, який визначає ступінь пошкодження коренеплодів , є кутова швидкість валів з робочими органами щр, а ступінь очищення коренеплодів від гички залежить, перш за все, від робочої швидкості руху очисника Vр.
7. За результатами проведеного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовано наступні оптимальні конструктивно-кінематичні параметри пристрою для видалення гички кормових буряків:
- кутова швидкість ротора з гичковидаляючими еластичними робочими органами - 40…43с-1;
- діаметр ротора гичковидаляючого пристрою 550…600мм при розміщенні еластичних робочих елементів на 4-х осях;
- поступальна швидкість очисника гички кормових буряків 1,2…1,6м/с.
8. За результатами польових випробувань встановлено, що запропонований гичковидаляючий пристрій забезпечує повноту очищення кормових буряків від гички 97…98%, при кількості пошкоджених коренеплодів до 2%, що повністю задовольняє існуючі агротехнічні вимоги.
9. Наведені результати виробничої перевірки шестирядного комплексу машин для збирання кормових буряків доводять доцільність і перспективність практичного впровадження запропонованого технічного засобу у виробництво. Розрахунковий річний економічний ефект, який формується за рахунок зниження експлуатаційних видатків, зменшення травмування і втрат коренеплодів, складає 16480 грн. Результати досліджень використовуються спеціалізованими конструкторськими бюро для подальшого удосконалення гичкозбиральних машин.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Кобец А.С., Кобец А.Н., Ильюшонок В.В. Механизация очистки кормовых корнеплодов от ботвы // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції з питань розвитку механізації електрифікації, автоматизації та технічного сервісу АПК в умовах ринкових відносин. Частина 2. ? Глеваха, 1995. ? С. 72?73.
2. Кобец А.С., Кобец А.Н. Исследование эластомеров в качестве рабочих органов для уборки ботвы кормовой свеклы // Труды международного симпозиума по механике эластомеров. ? Днепропетровск, 1997. ? С. 46?48.
3. Кобець А.С., Кобець О.М., Сокол С.П. Сучасний стан механізації збирання гички кормових буряків // Науковий вісник НАУ. Вип.9. ? К., 1998. ? С. 188?191.
4. Кобець А.С., Кобець О.М., Науменко М.М. Механізація очищення кормових буряків від гички // Збірник праць Міжнародної конференції “Тенденції в сільськогосподарських розробках ТАЕ-99”. ? Прага, 1999. ? С. 183?186.
5. Кобець А.С., Кобець О.М., Науменко М.М. Обґрунтування процесу та параметрів робочих органів для очищення кормового буряку від гички // Зб. наук. праць НАУ “Механізація сільськогосподарського виробництва”. ? Т.4. “Теорія і розрахунок сільськогосподарських машин”, 1999. ? С. 271?275.
6. Кобець А.С., Кобець О.М., Науменко М.М. Теоретичне обґрунтування про-цесу та параметрів робочих органів для очищення кормового буряку від гички // Вісник ХДТУСГ. ? Харків, 2000. ? С. 273?279.
7. Кобець А.С., Кобець О.М., Сокол С.П. Теоретичні передумови вико-ристання пружних елементів при збиранні кормових коренеплодів // Праці ТДАТА. Вип. 1. ? Т.23. ? Мелітополь, 2001. ? С. 17?22.
8. Кобець А.С., Кобець О.М., Науменко М.М. Деформування пружного стержня відцентровими силами // Міжвід. зб. наук. праць. Ін-т геотехнічної механіки НАН України. ? Дніпропетровськ, 2003. – Вип. 45. ? С. 52?56.
9. Кобець А.С., Кобець О.М. Перспективна технологія збирання гички кор-мових буряків // Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми та перспективи розвитку аграрної механіки”. ? Дніпропетровськ, 2004. ? С. 20?22.
10. Пат. 12491А Україна МПК G01М 19/00. Стенд для дослідження гичковідділяючих робочих органів збиральних машин: Пат. 12491А Україна МПК G01М 19/00 Кобець А.С., Кобець О.М, Буря О.І., Шемавньов В.І. ? №93101223; Заявл.16.03.93; Опубл. 28.02.97. Бюл. №1. ? 4с.
11. Пат. 14991А Україна МПК А01D 91/02. Спосіб збирання кормових коренеплодів та пристрій для його здійснення: Пат. 14991А Україна МПК А01D 91/02 Кобець А.С., Кобець О.М, Сокол С.П., Мареніченко В.В, Павлов Я.А. ? №93007385; Заявл. 22.07.93; Опубл. 04.03.98. Бюл. №1. ? 4с.
12. Кобец А.С., Кобец А.Н. Исследование эластичных рабочих органов для уборки ботвы кормовой свеклы // Тезисы международной научно-практической конференции. ? Винница, 1996. ? С.177?179.
13. Кобец А.С., Кобец А.Н. Использование эластомеров при уборке ботвы кормовой свеклы // Тезисы международного симпозиума по механике эластомеров. ? Севастополь, 1996. ? С. 106?107.
АНОТАЦІЇ
Кобець О.М. Обгрунтування робочого процесу і параметрів робочих органів для видалення гички кормових буряків. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Вінницький державний аграрний університет, м. Вінниця, 2007.
Дисертація присвячена вирішенню задачі покращення якості очищення кормових буряків від гички шляхом розробки та оптимізації параметрів гичковидаляючого пристрою з використанням еластичних робочих органів які забезпечують видалення гички за рахунок ударно-зчісуючої дії для забезпечення мінімального травмування коренеплодів та виконання операції у відповідності до існуючих вимог. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовано раціональні конструктивно-кінематичні параметри гичковидаляючого пристрою та розроблено методику визначення його основних параметрів. Лабораторні дослідження проведено на розробленому та виготовленому стенді, конструкцію та принцип роботи якого захищено патентом України.
Результати досліджень по пристрою для видалення гички кормових буряків використовуються СКБ КВП Дніпропетровський комбайновий завод” та впроваджені в навчально-дослідному господарстві Самарський Дніпропетровського державного аграрного університету.
Ключові слова: кормові буряки, гичка, еластичні робочі органи, диференціальні рівняння руху, удар, конструктивно-кінематичні параметри.
Кобец А.Н. Обоснование рабочего процесса и параметров рабочих органов для удаления ботвы кормовой свеклы. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. ? Винницкий государственный аграрный университет, г. Винница, 2007.
Диссертационная работа посвящена разработке, теоретическим и экспериментальным исследованиям ботвоудаляющего устройства с использованием эластичных рабочих органов с целью обеспечения минимального травмирования корнеплодов при уборке ботвы и выполнения операции в соответствии с существующими требованиями. Для решения поставленных задач проведен анализ существующих средств механизации уборки ботвы кормовой свеклы с целью выявления их недостатков, также изучены агробиологические характеристики кормовой свеклы. Предложена конструктивно-технологическая схема ботвоудаляющего устройства с использованием эластичных рабочих органов, которые обеспечивают удаление ботвы за счет ударно-очесывающего действия, что наиболее полно отвечает агробиологическим особенностям кормовой свеклы. Проведено теоретическое обоснование процесса удаления ботвы эластичным рабочим органом с использованием дискретной модели удара. На основании математической модели процеса взаимодействия еластичного бича с корнеплодом предложен алгоритм определения параметров и режимов работы ботвоудаляющего устройства.
Проведено определение и анализ размерно-масовых и прочностных характеристик ботвы кормовой свеклы, которые использованы для обоснования конструктивно-кинематических параметров ботвоудаляющего устройства. Экспериментальные исследования проведены с целью определения основных параметров и агротехнических показателей работы предложенного устройства для удаления ботвы кормовой свеклы. Для проведения экспериментов использован спроектированный и изготовленный лабораторный стенд для исследования ботвоудаляющих рабочих органов а также экспериментальный очиститель ботвы кормовой свеклы на базе ОГД-6. При планировании многофакторных экспериментов а также обработки полученных данных были использованы методы математической статистики. Получены уравнения
