ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

Ковязин Олексій Сергійович

УДК 631.311.8

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ

ПАРАМЕТРІВ ЛЕМІШНО-БАРАБАННОГО СЕПАРАТОРА ҐРУНТУ

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мелітополь – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Таврійський державній агротехнічній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шевченко Ігор Аркадійович,

Таврійська державна агротехнічна академія,

завідувач кафедри сільськогосподарських машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Рогатинський Роман Михайлович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя,

завідувач кафедри економічної кібернетики;

- кандидат технічних наук, доцент Леженкін Олександр Миколайович,

Таврійська державна агротехнічна академія,

кафедра фізики, теоретичної механіки і теорії механізмів та машин.

Провідна установа: Південний філіал “Кримський агротехнологічний університет” НАУ Кабінету міністрів України, кафедра сільськогосподарської техніки, смт. Аграрне, м. Сімферополь.

Захист відбудеться 20 квітня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 в Таврійській державній агротехнічній академії за адресою: 72312, м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312, м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий 5 березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради | В.Т. Діордієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пошаровий розподіл ґрунтових агрегатів за розмірами при виконанні передпосівного обробітку та непошкодження водоміцних агрегатів покращує умови накопичення та збереження гумусу у ґрунту. Паралельно розв'язуються і інші проблеми: боротьба з вітровою ерозією за рахунок розташування у верхньому шарі ґрунту крупних ґрунтових агрегатів і екологічно чисте виробництво сільськогосподарських продуктів за рахунок механічного видалення бур'янів в оброблюваному шарі, що є альтернативою хімічним способам боротьби із бур'янами.

Тому розробка ефективних процесів пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами має народногосподарське значення і є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження проводились згідно з науково-дослідною програмою № 6 Таврійської державної агротехнічної академії “Розробка гнучких технологічних систем керованого екофільного землеробства” (№ ДР 0106U001223).

Мета: підвищення однорідності пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами при виконанні передпосівного обробітку ґрунту шляхом інтенсифікації процесу сепарації.

Задачі дослідження:

1. Встановити закономірності відносного переміщення ґрунтових агрегатів поверхнею ротаційно-пруткових барабанів із горизонтальною віссю обертання та визначити робочі діапазони процесу сепарації, виходячи із умов роботи та технологічного завдання щодо передпосівного обробітку ґрунту.

2. Розробити математичну модель процесу взаємодії із ґрунтовим середовищем робочих органів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту.

3. Визначити раціональні конструктивно-технологіч-ні параметри лемішно-ба-рабанного сепаратора ґрунту за методично обґрунтованим критерієм оптимізації.

4. Дати техніко-економічну оцінку розроблених технологічних рішень на підставі функціональної залежності між однорідністю пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами і врожайністю сільськогосподарських культур, а також економією гранульованих мінеральних добрив.

Об'єкт дослідження – технологічний процес пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами при сепарації ґрунту.

Предмет дослідження – взаємозв'язок конструктивно-технологічних параметрів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту із однорідністю пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами.

Методи дослідження. Теоретичне обґрунтування параметрів і режимів роботи сепаратора ґрунту проводилося з використанням механіко-математичного моделювання та базувалось на положеннях теоретичної механіки, статики сипучого середовища і методів диференціального числення.

Експериментальні дослідження проводились з використанням як загальноприйнятих, так і згідно розроблених методик, та передбачали планування багатофакторного експерименту. Обробка результатів цих досліджень здійснювалась на ПЕОМ з використанням теорії ймовірності, регресивного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблена математична модель впливу конструктивно-технологіч-них параметрів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту на однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами;

- вперше отримані залежності впливу швидкості руху сепаратора і вологості ґрунту на однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено алгоритм розрахунку конструктивно-технологічних параметрів сепаратора ґрунту, що забезпечують диференційований агрегатний склад оброблюваного шару для різних типів ґрунтів і культур, за допомогою якого можливо проектувати ґрунтообробні знаряддя такого типу;

- розроблена методика визначення в лабораторних умовах однорідності пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами для сепараторів ґрунту барабанного типу.

Результати досліджень прийняті і впроваджені УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого та ВАТ “Бердянський Агротехсервіс”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які відображають суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та частково із співавторами публікацій.

Автором особисто розроблена математична модель оптимізації конструктивно-техно-логіч-них параметрів сепаратора ґрунту за введеним показником якості роботи сепараторів ґрунту – однорідності пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами [1-5, 7].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь, 2002…2006 рр.), на міжнародній науковій конференції MOTROL '03 (м. Київ, НАУ, 2003 р.), на міжнародному симпозіумі “Ecological aspects of mechanization of plant production” (Польща, м. Варшава, 2006 р.), на міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Мелітополь, ТДАТА, 2006 р.).

Публікації. За результатами досліджень надруковано 8 наукових праць загальним обсягом 1,5 умовного друкованого аркушу з яких один патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 106 найменувань та додатків. Дисертація викладена на 159 сторінках комп'ютерного тексту (основна частина 126 сторінок), містить 21 таблицю та 57 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і основні задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

Розділ 1. Сучасний стан проблеми і вибір напрямків досліджень. Технологічна задача побудови орного горизонту за агрегатним складом за останні 20 років набула значного поширення. Цієї проблемі приділяли багато уваги такі вчені як Медведєв В.В., Кушнарьов А.С., Шевченко І.А., Булгаков В.М., Пащенко В.Ф., Шелудченко Б.А., Czyz E.A., Dexter A.R., Kubiak J. та інші, які сформулювали основні вимоги до орного горизонту та шляхи для подальших наукових досліджень у даній галузі.

Проведений аналіз результатів теоретичного обґрунтування параметрів сепараторів ґрунту барабанного типу показав, що автори в своїх роботах намагались отримати максимальну продуктивність сепаратора, і не приділяли достатньої уваги якісним показникам його роботи щодо однорідності пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами.

На підставі вивченого матеріалу була висунута гіпотеза: при інтенсифікації процесу сепарації ґрунту збільшується ймовірність потрапляння ґрунтових агрегатів певного розміру в певний шар.

Інтенсифікація сепарації безпосередньо пов'язана зі шляхом, пройденим ґрунтовими агрегатами поверхнею робочих органів сепаратора, а також з силою дії на ґрунтові агрегати з боку робочих органів.

Розділ 2. Теоретичне обґрунтування конструктивно-техно-ло-гічних параметрів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту. Роботи Горячкіна В.П., Василенка П.М., Синєокова Г.Н., Погорілого Л.В., Заїки П.М., Кушнарьова А.С., Панова И.М., Панченка А.Н., Гукова Я.С., Булгакова В.М., Рогатинського Р.М., Шевченка І.А., Войтюка Д.Г., Пилипаки С.Ф., Караєва О.Г., Крижачківського Р.М. та інших вчених послужили основою для теоретичних досліджень.

Показники роботи машини для передпосівного обробітку ґрунту (рис. 1) повинні задовольняти вимогам, що пред'являються з боку сільськогосподарських рослин до посівного і надпосівного шарів з позиції одержання максимально можливого врожаю в конкретних грунтово-кліматичних умовах.

Рис. 1. Конструктивно-технологічна схема лемішно-барабанного сепаратора ґрунту:

1 – прутковий леміш; 2 – активний коток; 3, 4 – пруткові барабани; 5 – прутковий коток.

У процесі роботи прутковий леміш подає ґрунт на прутки першого барабану. При цьому ґрунтові агрегати, розміри яких не перевищують відстані між прутками в ряді, просипаються на дно борозни, а більш великі піднімаються нагору і передаються на другий барабан. Більш великі фракції, при сході з другого барабана, розташовуються у верхньому шарі. Прутковий леміш виконує дві функції: формує ущільнене насіннєве ложе і частково сепарує ґрунт. Оброблена поверхня ущільнюється прутковим котком.

При русі агрегату по полю перед лемешем може утворюватися ґрунтова хвиля (рис. 2.а), що негативно впливає на енергетику і якість виконання технологічного процесу. Щоб виключити це явище був встановлений активний коток (рис. 2.б). Цей коток також подрібнює грудки ґрунту і вирівнює подачу ґрунту в сепаратор.

а

б

Рис. 2. Ґрунтова хвиля перед лемешем (а)

і схема розташування активного котка (б). | Діаметр гладких котків знаходиться в межах від 0,35 до 0,7 м. З метою зменшення розмірів сепаратора приймаємо діаметр котка Dк = 0,35 м.

Приймаємо відстань між котком і лемешем рівною глибині обробітку виходячи з умови не заклинювання ґрунту між ними.

Для кращих умов завантаження сепаратора ґрунтом окружна швидкість котка vокр повинна дорівнювати швидкості руху агрегату va.

Тоді можна визначити кутову швидкість активного котка к = 2va/Dк.

Координати осі котка Oк(xк;ук): хк = – (Dк /2)sin; ук = h + Dк /2.

Кут нахилу лемеша до горизонту повинен бути не більшим за кут тертя ґрунту об матеріал лемеша: , = 19…31. Звідки = 19.

Довжина лемеша визначається наступним виразом

,

де R – радіус барабанів; h – глибина обробітку; k – частка ґрунту, відсепарованого лемешем, k = 0,03…0,1.

Виходячи з пропускної здатності сепаратора, визначимо мінімальну кутову швидкість барабанів

де ks – коефіцієнт використання міжпруткового просто-ру барабана.

Рис. 3. Фази взаємодії першого пруткового барабану з ґрунтом. |

Рис. 4. Розрахункова схема для

І фази взаємодії.

Процес взаємодії першого барабану з ґрунтом можна умовно розділити на три фази: І фаза – від початку взаємодії з ґрунтом до того моменту, коли крайня точка прутка найбільш близько підходить до крайньої точки лемеша; ІІ фаза – від моменту, коли крайня точка прутка найбільш близько підходить до крайньої точки лемеша до виходу прутків з ґрунту; ІІІ фаза – від виходу прутків з ґрунту до їх вертикального розташування (рис. 3).

Розглянемо І фазу взаємодії.

Ґрунт масою m поступає на прутки першого барабану зі швидкістю v0 в точку, що знаходиться на відстані від осі обертання прутка O1 довжиною R, який обертається з кутовою швидкістю . Необхідно визначити закон руху ґрунту відносно прутків.

Прийняті допущення і спрощення: вважатимемо ґрунт, який знаходиться на прутках першого барабану тілом перемінної маси; апроксимуємо вираз початкової швидкості ґрунту відносно прутка як функції часу для І фази взаємодії першого барабану з ґрунтом прямою v0I = v00 + kvt, де v00 – значення початкової швидкості ґрунту відносно прутка при початку взаємодії ґрунту з прутком; апроксимуємо вираз маси ґрунту як функції часу для І фази прямою mI = kmIt; вважатимемо, що центр мас ґрунту, який поступає в сепаратор, буде знаходитись на поверхні прутків; вважаємо удар ґрунту об прутки абсолютно непружним.

Введемо рухливу систему координат X1C0Y1 (рис. 4) з початком, що збігається з r0 – початковою відстанню від точки прийому ґрунту до осі обертання прутка, вісь C0X1 спрямована вздовж прутка.

Диференціальне рівняння руху ґрунту по прутку для І фази взаємодії

де B0 – кут нахилу до горизонту прутка на початку взаємодії з ґрунтом.

Задаючись значеннями швидкості руху агрегату va, враховуючи, що всі перемінні в цьому рівнянні є похідними від va і заданих геометричних параметрів сепаратора, вирішимо це рівняння чисельним методом на інтервалі 0 tI (B0 – )/, використовуючи початкові умови (при t 0 xI0 = 0, vI0 = v00). Отримаємо залежність переміщення x1I ґрунту по прутку в кінці І фази взаємодії від швидкості руху агрегату va.

З початком ІІ фази взаємодії на ґрунт, що знаходиться на прутках, діє сила підпору шару. Якщо ґрунт рухався від центру барабану, то він змінює напрямок руху на протилежний. Таким чином, зміна напрямку руху ґрунту сприяє інтенсифікації процесу сепарації і рух ґрунту від центру барабана є найкращим для І фази взаємодії.

При виході прутків з ґрунту (початок ІІІ фази взаємодії) сила підпору відсутня, і ґрунт під дією сили інерції починає рухатись від центру барабана.

Розглянемо рух частинки ґрунту, яка остання потрапила на прутки, оскільки ймовірність сходу цієї частинки з прутків найвища внаслідок максимального значення сили інерції.

Частинка ґрунту, яка остання потрапила на прутки з початковою швидкістю v0 рухатиметься до центру барабана доки її швидкість відносно прутків не стане дорівнювати нулю. При цьому вона буде мати переміщення х1ІІІ1. Потім, під дією сили інерції, частинка почне рухатися від центру барабана. Ґрунт, що сепарується, не повинен сходити з барабану, тому х1ІІІ2 – переміщення частинки від центру барабана, повинно бути не більше за х1ІІІ1.

Рис. 5. Розрахункова схема для ІІІ фази взаємодії: рух ґрунту до центру барабана. |

Рис. 6. Розрахункова схема для ІІІ фази взаємодії: рух ґрунту від центру барабана.

Складемо диференціальне рівняння руху ґрунту до центру барабана

.

Вирішивши це рівняння, використовуючи початкові умови (при t = 0 x1 = 0, v1 = v0), отримаємо вирази переміщення і відносної швидкості для руху ґрунту до центру барабана:

Для визначення переміщення х1ІІІ1 необхідно прирівняти до нуля праву частину виразу швидкості і визначити чисельним методом t1 – час руху ґрунту до центру барабана, після чого підставити отримане значення в вираз переміщення.

Визначимо переміщння ґрунту від центру барабана.

Складемо диференціальне рівняння руху ґрунту від центру барабана

,

де – кут, при якому швидкість частинки відносно прутка дорівнює нулю.

Вирішивши це рівняння, використовуючи початкові умови (при t = 0 x1 = 0, v1 = 0), отримаємо вираз переміщення для руху ґрунту від центру барабана:

В межах кута /2 – (див. рис. 6) можливий схід ґрунту з прутків. Тоді час, при якому можливий схід ґрунту t2 = (/2 – )/.

Рис. 7. Графік залежності суммарного шляху, пройденого ґрунтом по прутках від швидкості руху агрегату. |

Рис. 8. Графік залежності суммарного

шляху, пройденого ґрун-том по прутках

від кутової швидкості барабанів.

Як видно з рис. 7 умова х1ІІІ1 х1ІІІ2 виконується до швидкості va 1,32 м/с, тобто ця швидкість буде максимальною швидкістю руху агрегату. Для швидкості руху va 1,18 м/с сумарний шлях буде найменшим, тобто при цій швидкості сепарація буде найгірша.

До цього моменту ми зв'язували кутову швидкість барабанів зі швидкістю руху агрегату va. Тепер, знаючи va max 1,32 м/с, визначимо як впливає на процес сепарації. Для цього дещо знизимо va і отримаємо діапазон варіювання . Мінімальне значення min визначимо виходячи з пропускної спроможності агрегату. Максимальне значення max визначимо виходячи з умови х1ІІІ1 х1ІІІ2.

Як видно з рис. 8 при va = 1 м/с максимальна кутова швидкість барабанів, тобто кутова швидкість, при якої виконується умова х1ІІІ1 х1ІІІ2 max 7,65 рад/с. Однак збільшувати недоцільно, оскільки зменшується шлях ґрунту відносно прутків, що погіршує сепарацію.

При роботі лемішно-барабанного сепаратора леміш здійснює подачу і часткову сепарацію ґрунту (3…10 %), прутки першого барабана виконують підйом і основну сепарацію (60…80 %). Кінцевий розподіл частинок (15…40 %) виконується на другому барабані. При цьому кінематичні параметри роботи першого барабану впливають на умови роботи другого барабану та на процес перевантаження частинок ґрунту з першого барабану на другий, що у значній мірі визначає розподіл по шарах фракційного складу ґрунту.

Як видно з рис. 9 кут нахилу до горизонту прямої, що проходить через осі барабанів

,

де h1max – максимальна товщина шару ґрунту, що відсепарував леміш, h1max = 0,1h;

h2max – максимальна товщина шару ґрунту, що відсепарував перший барабан, h2max = 0,8h.

При роботі сепаратора в полі можуть випадково зустрітися тверді предмети (камені, деталі с.-г. машин і т. і.), які можуть заклинюватися між прутками першого і другого барабанів, що може привести до його поломки. Тому кут між прутками барабанів в процесі їх взаємодії повинен бути більшим за кут тертя твердих предметів по сталі. Приймаємо = 20, тобто дещо більше за мінімальний кут тертя ґрунту по сталі і значно більший за максимальний кут тертя твердих предметів по сталі, що забезпечує найбільшу інтенсивність дії прутків на ґрунт при найменшої ймовірності заклинювання твердих предметів.

Рис. 9. Параметри другого барабану. | Довжина прутків барабанів повинна бути однаковою, оскільки збільшення другого барабану призводить до збільшення розмірів сепаратора, що обмежує його використання у складі комбінованих ґрунтово-посівних модулів, це по-перше, а по-друге – ґрунт, таким чином, необхідно підіймати на більшу висоту, інакше другий барабан буде чіплятися за дно борозни, що негативно впливає на умови перевантаження частинок ґрунту з барабану на барабан, енергетику, збереження ґрунтової вологи та вміст водомістких ґрунтових агрегатів.

Виходячи з умови min форма прутків другого барабану повинна бути прямолінійна.

Розділ 3. Програма і методика проведення експериментальних досліджень. Однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами визначали на лабораторній установці (рис. 10).

Рис. 10. Технологічна схема лабораторної установки:

1 – електродвигун постійного струму; 2 – привід сепаратора; 3 – рама сепаратора;

4 – пруткові барабани; 5 – прутковий леміш; 6 – стрічковий транспортер;

7 – активний коток; 8 – привод котка; 9 – лоток.

Прутки першого барабана здійснюють підйом ґрунту. При цьому частка ґрунтових агрегатів, розміри яких не перевищують відстані між прутками у ряді, просипається в лоток 9, який встановлено під барабанами, а саме в перші його відділення. Більш великі агрегати піднімаються нагору і передаються на другий барабан. Більші фракції при сході з другого барабана розташовуються у останніх відділеннях лотка.

Таким чином, перші відділення лотка будуть відповідати нижньому шару ґрунту, а останні відділення – верхньому. Якщо тепер знайти масу ґрунту mi, що знаходиться у кожному відділенні і визначити його агрегатний склад Ai, то будемо мати інформацію про пошаровий агрегатний склад ґрунту після того, як він пройшов через сепаратор.

Рис. 11. Структурний склад ґрунту до роботи сепаратора. |

Рис. 12. Абсолютно диференційований агрегатний склад ґрунту. |

Рис. 13. Агрегатний склад ґрунту після роботи сепаратора.

Вважатимемо, що ґрунтові агрегати випадковим чином розподілені за розмірами в шарі ґрунту, який обробляє сепаратор (рис. 11).

Визначивши mi і Ai можна знайти частку кожної фракції, яка міститься в шарі ґрунту, обробленому сепаратором і побудувати абсолютно диференційований агрегатний склад ґрунту (рис. 12), який отримаємо в тому випадку, якщо пошарово розподілити всі ґрунтові агрегати за розміром.

В якості критерію оптимізації приймаємо ступінь відповідності агрегатного складу ґрунту, отриманого після роботи сепаратора (рис. 13) абсолютно диференційованому агрегатному складу (рис. 12). Критерій оптимізації визначає однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами. Кількісно критерій виражається з наступної формули:

,

де xi – частка ґрунтових агрегатів, які знаходяться в шарі ґрунту kih, що відповідає вмісту в ґрунті фракції розміром di (рис. 13). Іншими словами xi – частка ґрунтових агрегатів, що знаходяться “у своєму шарі” у відповідності з рис. 12;

ki – частка кожної фракції, що міститься в обробленому шарі ґрунту.

Різниця xi – ki показує збільшення вмісту ґрунтових агрегатів розміром di у шарі ґрунту kih після роботи сепаратора, а множник ki враховує величину цього шару.

Розділ 4. Результати експериментальних досліджень. Умови випробувань: тип ґрунту – чорнозем південний середньосуглинковий, фон – культивований пар, вологість ґрунту 14,80,9 %, щільність ґрунту 1,10,05 г/см3. До обробітку визначався середній пошаровий вміст ґрунтових агрегатів за фракціями.

Результати експерименту було оброблено з використанням прикладних пакетів програм на ПЕОМ. Розрахунки моделей показали, що отримані ре-гре-сійні моделі можна використовувати як “оптимізаційні” моделі, які до-зво-ляють встановити раціональні параметри ґрунтового сепаратора для визначених умов роботи.

Було отримано рівняння регресії, що адекватно описує досліджуваний процес за встановленим критерієм оптимізації:

,

де Y – однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами, яку отримали після роботи сепаратора;

X1, b – відхилення прутків другого барабану від прямолінійної форми, мм;

X2, и – кут зміщення по фазах обертів другого барабана відносно першого, град;

X3, n – частота обертання барабанів, об/хв.

Максимальне значення для Y = 0,1162 буде при: Х1 = – 1 або b = 0 мм; Х2 = – 1 або и = 20; Х3 = – 1 або n = 70 об/хв. Це підтверджує результати теоретичних дослід-жень, згідно яких мінімальна кутова швидкість барабанів, що визначають виходячи із пропускної спроможності сепаратора, є кращою для сепарації, оскільки при цій кутовій швидкості шлях, пройдений ґрунтом по прутках, максимальний. Прямолінійна форма прутків другого барабана в поєднанні з мінімально допустимим кутом зміщення по фазах є кращими для сепарації, оскільки вони забезпечують максимальну силу дії робочих органів на ґрунт, що також підтверджує результати теоретичних досліджень.

Рис. 14. Залежність критерію оптимізації

від швидкості подачі ґрунту. | Було визначено вплив швидкості подачі ґрунту на процес пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами (рис. 14).

Як видно з рис. 14 умови сепарації ґрунту істотно погіршуються починаючи з v 1,25 м/с. Це підвереджує результати теоретичних досліджень, згідно яких при швидкості більше 1,32 м/с ґрунт сходить з прутків барабана, що погіршує умови сепарації.

Був проведений експеримент по обґрунтуванню доцільності використання пруткового лемеша і активного катка, який показав, що при їх використанні критерій оптимізації підвищується на 52,38 %.

Після отримання основних параметрів необхідно було дослідити в якому діапазоні вологості ґрунту лемішно-барабанний сепаратор ґрунту може ефективно здійснювати технологічний процес (рис. 15).

Різке погіршення сепарації ґрунту при його вологості більше 18 % можна пояснити тим, що при досягненні цієї вологості починає виявлятися клейкість ґрунту.

Рис. 15. Вплив вологості ґрунту на

критерій оптимізації. | Погіршення сепарації ґрунту при його вологості менше 8 % пояснюється наступними причинами. Пошаровий розподіл ґрунтових агрегатів за розмірами – імовірнісний процес. При цій вологості ґрунту зростає ймовірність попадання ґрунтових агрегатів розміром 5...20 мм в посівний шар. Тобто досягши цієї вологості майже всі частинки ґрунту просіваються між прутками барабанів в перші відділення лотка, окрім часток, розмір яких більше відстані між прутками в ряду.

Розділ 5. Техніко-економічна ефективність застосування лемішно-бара-банного сепаратора ґрунту. Використовуючи результати мікроділяночних експериментів отримали функціональну залежність між однорідністю пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами і збільшенням врожайності сільськогосподарських культур у вигляді Q = 56,81Y – 19,47Y2, а також економією гранульованих мінеральних добрив у вигляді U = 33,33Y.

Рис. 16. Графік залежності річного економічного ефекту від швидкості руху агрегату:

КН-3,8 – культиватор навісний;

МПГС-6 – ґрунтовий сепаратор. | Використовуючи результати експериментальних досліджень з визначення впливу швидкості подачі ґрунту на однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами було визначено економічно оптимальну швидкість руху агрегату (рис. 16).

Як видно з графіка найбільший річний економічний ефект буде при швидкості подачі ґрунту v 1,13 м/с, тобто ця швидкість руху є економічно оптимальною. Цій швидкості руху відповідає частота обертання барабанів 80 об/хв та кутова швидкість котка = 6,46 рад/с.

ВИСНОВКИ

В роботі вирішена наукова задача визначення впливу на однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами конструктивно-технологічних параметрів та умов роботи лемішно-барабанного сепаратора ґрунту, що дозволило зробити наступні висновки:

1. Встановлено, що інтенсифікація процесу сепарації безпосередньо пов'язана зі шляхом, який ґрунтові агрегати проходять по робочим органам сепаратора ґрунту, а також з силою дії на ґрунтові агрегати з боку робочих органів, і визначає однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами. Технологічні умови роботи (швидкість руху агрегату, глибина обробітку, вологість та тип ґрунту) та інтенсивність сепарації (визначається кутовою швидкістю барабанів та їхніми конструктивними параметрами) повинні розглядатися у взаємозв'язку.

2. Розроблена механіко-математична модель процесу взаємодії першого пруткового барабана з ґрунтом зв'язала між собою функціональною залежністю швидкість руху агрегату і шлях, пройдений частинками ґрунту по прутках барабанів і дозволила визначити максимальну швидкість руху агрегату va max = 1,32 м/с. Оптимальна швидкість руху агрегату в діапазоні 0,95 va 1,69 складає 0,95 м/с. При цій швидкості сумарний шлях, пройдений частинками ґрунту по прутках буде максимальним і складе 0,097 м. Кожної швидкості руху агрегату відповідає мінімальна кутова швидкість барабанів, яку визначають виходячи з пропускної спроможності сепаратора. За допомогою моделі встановлено, що мінімальна кутова швидкість є найкращою, оскільки при збільшенні кутової швидкості зменшується шлях сепарації.

3. Для забезпечення максимальної дії на ґрунт з боку прутків барабанів, кут між прутками барабанів в процесі їх взаємодії повинен бути якомога меншим, але більшим за кут тертя твердих предметів (наприклад, каменів) о матеріал прутків.

4. Результати експериментальних досліджень підтвердили теоретичні положення, а саме: при зменшенні кута зміщення по фазах обертів другого барабана відносно першого збільшується інтенсивність сепарації; прямолінійна форма прутка другого барабану забезпечує постійне значення цього кута, що збільшує інтенсивність сепарації; мінімальна кутова швидкість, яку визначають з пропускної спроможності сепаратора є найкращою для сепарації і збільшувати кутову швидкість недоцільно.

5. При застосуванні пруткового лемеша і активного котка критерій оптимізації (однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами) збільшується на 52,38 %.

6. Експериментально визначено вплив вологості ґрунту на критерій оптимізації і вміст пилу в обробленому шарі ґрунту для чорнозему південного середньосуглинкового. Лемішно-барабанний сепаратор ґрунту може ефективно виконувати технологічний процес при вологості ґрунту 8…18 %. При вологості ґрунту 10 % процес пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами буде відбуватися найбільш ефективно.

7. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень для прий-нятих параметрів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту (радіус барабанів R = 0,15 м, глибина обробітку h = 0,08 м, зазор між прутками на барабані l = 0,02 м, кількість рядів прутків на барабані z = 6) визначені конструктивно-технологічні параметри, що забезпечують максимальну інтенсивність сепарації:

- швидкість подачі ґрунту v = 1 м/с;

- кут зміщення по фазах обертів другого барабана відносно першого и = 20;

- частота обертання барабанів n = 70 об/хв;

- форма прутків барабанів – прямолінійна;

- довжина пруткового лемеша L = 0,12 м;

- кут нахилу до горизонту прямої, що проходить через осі барабанів в = 28,7;

- кут нахилу лемеша до горизонту = 19;

- діаметр активного котка Dк = 0,35 м;

- кутова швидкість котка к = 5,7 рад/с.

8. Функціональна залежність між однорідністю пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами і збільшенням врожайності сільськогосподарських культур має вигляд Q = 56,81Y – 19,47Y2, %. Економією гранульованих мінеральних добрив – U = 33,33Y, %.

9. Одержано економічно оптимальну швидкість подачі ґрунту v = 1,13 м/с. Цій швидкості руху відповідає частота обертання барабанів 80 об/хв та кутова швидкість котка = 6,46 рад/с. При цих параметрах однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами підвищується в 2,7 рази у порівнянні з ґрунтовим сепаратором МПГС-6.

10. Застосування лемішно-барабанного сепаратора ґрунту з активним котком в технології передпосівного обробітку ґрунту під просапні культури при виробництві кукурудзи на зерно дозволяє одержати річний економічний ефект у розмірі 5250 грн. у порівнянні з ґрунтовим сепаратором МПГС-6 за рахунок збільшення врожайності на 3,6 % і економії гранульованих мінеральних добрив на 2,2 % та у розмірі 7250 грн. у порівнянні з навісним культиватором КН-3,8 за рахунок збільшення врожайності на 5,9 % і економії гранульованих мінеральних добрив на 3,5 %.

СПИСОК

опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Шевченко І.А., Крижачківський Р.М., Ковязин О.С. Визначення умов працездатності ґрунтового двохбарабанного сепаратора // Зб. наук. пр. НАУ. – К., 2003. – Т. ХV. – С. 256-262 (особистий внесок – розробив математичну модель).

2. Шевченко І.А., Крижачківський Р.М., Ковязин О.С. Математична модель взаємодії пруткового барабанного сепаратора з ґрунтом // Сб. научн. тр. КМТИ. – Вып. 5. – Керчь, 2003. – С. 299-304 (особистий внесок – визначив кутову швидкість першого барабану сепаратора ґрунту).

3. Крижачківський Р.М., Ковязин О.С. Визначення умов роботи для другого барабану ґрунтового сепаратора барабанного типу // Праці ТДАТА. – Вип. 13. – Мелітополь, 2003. – С. 58-62 (особистий внесок – визначив кутову швидкість другого барабану сепаратора ґрунту).

4. Шевченко І.А., Ковязин О.С. Обґрунтування максимально можливої продуктивності пруткового двобарабанного сепаратора ґрунту // Праці ТДАТА. – Вип. 21. – Мелітополь, 2004. – С. 188-197 (особистий внесок – склав і вирішив диференціальні рівняння руху ґрунту по прутках).

5. Шевченко І.А., Ковязин О.С. Теоретичне дослідження процесу завантаження першого барабану сепаратора ґрунту // Зб. наук. пр. ХНТУСГ ім. П. Василенка. – Вип. 39. – Харків, 2005. – С. 203-207 (особистий внесок – визначив швидкість, з якою пруток рухається відносно траєкторії польоту ґрунту і швидкість руху ґрунту по прутку).

6. Ковязин О.С. Методика проведення експериментальних досліджень лемішно-барабан-ного сепаратора ґрунту // Праці ТДАТА. – Вип. 28. – Мелітополь, 2005. – С. 152-157.

7. Шевченко И.А., Ковязин А.С. Теоретические исследования рабочего процесса барабанного сепаратора почвы // Труды XII международного симпозиума “Ecological aspects of mechanization of plant production”. – Варшава, 2006. – С. 170-173 (особистий внесок – склав і вирішив диференціальне рівняння руху ґрунту по прутку).

8. Лемішно-барабанний сепаратор ґрунту: Пат. 2003065074. Україна, МПК7 А01В33/00, А01В49/00 / Шевченко І.А., Ковязин О.С., Крижачківський Р.М. – № 64446; Заявл. 03.06.2003; Опубл. 17.07.2006, Бюл. № 7. – 4 с. (особистий внесок – запропонував співвідношення кутових швидкостей першого і другого барабанів 1:1).

Ковязин О.С. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів лемішно-барабанного сепаратора ґрунту. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Таврійська державна агротехнічна академія. – Мелітополь, 2006 р.

У роботі запропоновано використовувати для передпосівного обробітку ґрунту лемішно-барабанний сепаратор.

Теоретичні дослідження дозволили визначити максимальну швидкість руху сепаратора. На підставі теоретичних досліджень встановлено, що мінімальна кутова швидкість барабанів, яку визначають виходячи з пропускної спроможності сепаратора, є якнайкращою для сепарації. Обґрунтовано параметри пруткового лемеша, активного котка, форми прутків, відносного розташування прутків барабанів.

За результатами експериментальних досліджень одержано залежності, які характеризують вплив конструктивно-технологічних параметрів сепаратора ґрунту на однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами.

Визначено економічно оптимальні параметри лемішно-барабанного сепаратора ґрунту.

Ключові слова: передпосівний обробіток ґрунту, лемішно-барабанний сепаратор ґрунту, інтенсифікація процесу сепарації, однорідність пошарового розподілу ґрунтових агрегатів за розмірами, математичне моделювання.

Ковязин А.С. Обоснование конструктивно-технологических параметров лемешно-барабанного сепаратора почвы. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Таврическая государственная агротехническая академия. – Мелитополь, 2006 г.

В диссертационной работе решена научная задача определения влияния на однородность послойного распределения почвенных агрегатов по размерам конструктивно-технологических параметров и условий работы лемешно-барабанного сепаратора почвы.

Обеспечение однородности послойного распределения почвенных агрегатов по размерам приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур за счет улучшения агрофизических свойств почвы и к снижению нормы внесения минеральных удобрений за счет их лучшего усваивания растениями. Поэтому в работе предложено использовать для предпосевной обработки почвы лемешно-барабанный сепаратор – почвообрабатывающее орудие нового поколения, способное обеспечить дифференцированный агрегатный состав обрабатываемого слоя почвы.

В диссертации определены технологические режимы процесса послойного распределения почвенных агрегатов по размерам и разработаны алгоритмы расчета конструктивно-технологических параметров лемешно-барабанного сепаратора почвы, которые обеспечивают дифференцированный агрегатный состав обрабатываемого слоя для разных типов почв и культур.

Теоретические исследования позволили определить максимальную скорость движения сепаратора. На основании теоретических исследований установлено, что минимальная угловая скорость барабанов, которую определяют исходя из пропускной способности сепаратора, является наилучшей для сепарации. Обоснованы параметры пруткового лемеха, активного катка, формы прутков, относительного расположения прутков барабанов.

Разработана методика определения однородности послойного распределения почвенных агрегатов по размерам в лабораторных условиях – критерия оптимизации в эксперименте.

Экспериментальные исследования позволили определить диапазон скорости движения, в котором целесообразно использовать сепаратор почвы, целесообразность применения пруткового лемеха и активного катка, диапазон влажности почвы, в котором сепаратор почвы может эффективно осуществлять технологический процесс. По результатам экспериментальных исследований получены зависимости, которые характеризуют влияние конструктивно-технологических параметров сепаратора почвы на критерий оптимизации.

Установлено, что при интенсификации процесса сепарации почвы повышается вероятность попадания почвенных агрегатов определенного размера в определенный слой, что повышает однородность послойного распределения почвенных агрегатов по размерам. Интенсификация сепарации непосредственно связана с путем, пройденным почвенными агрегатами по рабочим органам сепаратора почвы, а также с силой воздействия на почвенные агрегаты со стороны рабочих органов.

Полученные функциональные зависимости между однородностью послойного распределения почвенных агрегатов по размерам и увеличением урожайности сельскохозяйственных культур, а также экономией минеральных удобрений позволили определить экономически оптимальные параметры лемешно-барабанного сепаратора почвы.

Ключевые слова: предпосевная обработка почвы, лемешно-барабанный сепаратор почвы, интенсификация сепарации, однородность послойного распределения почвенных агрегатов по размерам, математическое моделирование.

Kovyazin A.S. Ground of structural and technological parameters of ploughshare-drum separator of soil. – Manuscript.

Thesis for getting the scientific degree of the Candidate of technical sciences on the specialty 05.05.11 – machine and mechanization means for agricultural production. Tavria State Agrotechnical Academy. – Melitopol, 2006.

Ploughshare-drum separator for pre-sowing cultivation is being offered to use in the paper.

Theoretical researches allowed to define maximum speed of separator motion. On the basis of theoretical researches it has been stated that minimum angulator drums being determined taking into account carrying capacity of separator is the best for separating. The parameters of twig ploughshare, active rink, twigs form, relative location of drums twigs have been grounded.

On results of experimental researches the dependences were obtained characterizing influence of structural and technological parameters for soil separator on homogeneity of the layer distributing of soil aggregates according sizes.

The optimum economic parameters of ploughshare-drum soil separator have been defined.

Key words: pre-sowing cultivation, ploughshare-drum soil separator, intensification of separate process, homogeneity of the layer distributing of soil aggregates according sizes, mathematical models.