НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Войтік Андрій Володимирович

УДК 631.31:634

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПАРАМЕТРІВ ПРИСТРОЮ ДЛЯ РОЗКРИТТЯ КОРЕНЕВОЇ СИСТЕМИ МАТОЧНИХ РОСЛИН КЛОНОВИХ ПІДЩЕП

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України та Інституті садівництва Української академії аграрних наук

Науковий керівник – доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Фришев Сергій Георгійович,

Національний аграрний університет, завідувач кафедри

транспортних технологій в АПК

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, членкор УААН

Булгаков Володимир Михайлович,

Національний аграрний університет, завідувач кафедри

механіки та теорії машин і механізмів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Караєв Олександр Гнатович,

Інститут зрошуваного садівництва ім. М.Ф. Сидоренка

УААН, завідуючий відділом зрошування і механізації

Захист відбудеться “22” січня 2008 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд. 65

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

Автореферат розісланий “21” грудня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Д.Г. Войтюк

ЗАГАЛЬНА ХРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш трудомістких процесів у плодовому розсадництві є розкриття кореневої системи маточних рослин з метою відокремлення відсадків клонових підщеп. На цю операції витрачається 583 люд-год/га чи 52 % від загальних затрат протягом року. Від способу виконання цієї операції значною мірою залежить як якість клонових підщеп, так і стан маточних рослин.

Розкриття кореневої системи маточних рослин вручну, яке застосовується у виробництві, призводить до механічного пошкодження рослин та недотримання агростроків. Існуючі засоби механізації цього процесу недосконалі. Вони або недостатньо розкривають кореневу систему, або значно травмують рослини. В той же час, як показує аналіз світового і вітчизняного досвіду, проблему розкриття можна вирішити за рахунок її механізації при суттєвому зменшенні негативного впливу на маточні рослини та відсадки клонових підщеп. Найбільш якісне виконання технологічного процесу з видалення ґрунту з валків у маточнику спостерігається при застосуванні комбінованих пристроїв з пасивними та активними робочими органами.

Тому дослідження, які спрямовані на удосконалення існуючих засобів механізації процесу розкриття кореневої системи маточних рослин є актуальними і мають важливе народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин клонових підщеп і дослідження його роботи проведено відповідно до комплексної програми “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової і переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 7.03.1996 р.

Дисертація виконана на кафедрі експлуатації техніки та інженерного менеджменту Національного аграрного університету, а також у відділі наукових розробок машин для садів Інституту садівництва УААН. Основні її положення увійшли до тематичного плану науково-дослідної роботи (номер державної реєстрації – 0104U004116) “ Провести дослідження по розробці машини для розокучування відсадків в маточнику вегетативних підщеп ”.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи – підвищення ефективності процесу розкриття кореневої системи маточних рослин клонових підщеп шляхом удосконалення існуючих засобів механізації.

Відповідно до поставленої мети вирішувались такі завдання:

1. Обґрунтувати конструктивно-технологічну схему пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин з урахуванням статистичних характеристик маточних рослин та валка ґрунту.

2. Встановити взаємозв’язок між довжиною і жорсткістю гнучких прутків ворсу циліндричної щітки та режимами її роботи.

3. Визначити вплив прогину прутків ворсу на їх абсолютну швидкість та продуктивність щітки.

4. Розробити методику обґрунтування раціональних параметрів пристрою для розкриття кореневої системи з метою забезпечення якісних показників, що відповідають агровимогам.

5. Дослідити роботу пристрою у лабораторно-польових та виробничих умовах. Встановити якісні, енергетичні, експлуатаційні та економічні показники розробленого пристрою.

Об’єкт дослідження – технологічний процес та технічні засоби для відкриття кореневої системи маточних рослин.

Предмет дослідження – закономірності впливу параметрів пристрою з активними щітковими робочими органами для розкриття кореневої системи маточних рослин на ефективність його роботи.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконувалися з використанням основних положень вищої математики, теоретичної і аналітичної механіки, опору матеріалів, а експериментальні дослідження – відповідно до прийнятої методики і галузевих стандартів в лабораторних і польових умовах на розробленій експериментальній установці з використанням планування багатофакторного експерименту. Обробка результатів експериментальних досліджень здійснювалась на ПК за допомогою прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично визначена залежність зміни абсолютної швидкості кінця прутка ворсу та продуктивності щітки з урахуванням прогину ворсу.

2. Встановлена аналітична залежність між потужністю для приводу щітки та її конструктивними і кінематичними параметрами.

3. Розроблена методика обґрунтування параметрів щіткового робочого органу з вертикальною віссю обертання.

Практичне значення одержаних результатів. Науково обґрунтовані раціональні конструктивні та кінематичні параметри пристрою для розкриття кореневої системи. Використання пристрою з науково обґрунтованими параметрами забезпечує якісне виконання технологічного процесу розкриття кореневої системи маточних рослин і економію коштів 206 грн. на 1 гектар маточника, а також скорочення затрат праці на 109 люд. год./га. Пристрій впроваджено в Інституті садівництва УААН, про що свідчать відповідні акти.

Особистий внесок здобувача. Полягає в теоретичному обґрунтуванні параметрів пристрою, аналізі процесу прогину прутків ворсу циліндричної щітки з вертикальною віссю обертання, виготовленні дослідного зразка пристрою для розкриття кореневої системи та розробці методик його експериментальних досліджень, аналізі і обробці експериментальних даних та випробуванні дослідного зразка. В опублікованих працях доля здобувача становить від 60 до 100 %.

Апробація результатів дисертації. Результати наукових досліджень доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету (2004-2006 р.р.), XIV Міжнародній науково-технічній конференції „Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха, 2006), Міжнародній науково-практичній конференції “Технічний прогрес в АПК” (м. Харків, 2007). У повному обсязі дисертаційна робота була заслухана на розширеному засіданні кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту НАУ (м. Київ, 2006) та на науковому семінарі Технічного ННІ НАУ (м. Київ, 2007).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено у 5 наукових статтях, з них 1 – одноосібна, отримано 1 патент України на корисну модель та позитивне рішення про видачу патенту України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 160 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 100 найменувань, з них 3 іноземною мовою, додатків. Містить 14 таблиць і 68 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз стану питання та обґрунтування задач досліджень” наведено короткий аналіз технології виробництва клонових підщеп, класифіковано існуючі засоби механізації розкриття кореневої системи маточних рослин та відокремлення відсадків, наведено результати попередніх наукових досліджень, порівняльний багатокритеріальний аналіз існуючих технологій розкриття кореневої системи та відокремлення відсадків, визначені напрямки вдосконалення процесу розкриття кореневої системи маточних рослин.

Порівняльний багатокритеріальний аналіз існуючих технологій розкриття кореневої системи маточних рослин за допомогою трьох критеріїв: затрат праці, приведених витрат та втрат посадкового матеріалу свідчить про доцільність застосування технологічного процесу розкриття кореневої системи із використанням комбінованого пристрою з подальшим ручним доочищенням кореневої системи та ручним відокремленням відсадків клонових підщеп.

Дослідженнями процесу обробітку ґрунту займались А.Н. Зелєнін, М.Н. Лєтошнєв, П.М. Василенко, Г.М. Синєоков, М.Н. Нагорний, А.С. Кушнарьов, Я.С. Гуков, П.С. Нартов, М.І. Естрін, Л.А. Громбічевский, Л.П. Крамаренко, В.А. Желіговский, Л.Б. Думай та ін. Дослідженнями роботи активних щіток з гнучким ворсом (переважно в комунальному господарстві) займались К.А. Хапа та В.С. Бронштейн, Л.М. Гусєв, Б.М. Долганін, Орлов і О.І. Буковець, С.Д. Пономарьов та Л.Э Андреєва, В.М. Мечніков, Булгаков В.М., Н.В. Татьянко, В.А. Грозубінский, М.А. Мішин, І.Ф. Хебешеску та інші вчені. Фізико-механічні властивості маточних рослин вивчали С.Г. Фришев, В.Ф. Зуєв, А.Н. Татаринов та ін. Але, як свідчить проведений аналіз, результати цих досліджень не можуть бути безпосередньо використані для розрахунку раціональних параметрів комбінованого пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин клонових підщеп. Це обумовлено відмінністю процесу розкриття кореневої системи та конструктивно-технологічними особливостями відповідних пристроїв.

Огляд відомих технологій розкриття кореневої системи маточних рослин та аналіз існуючих досліджень з видалення ґрунту, що вкриває кореневу систему маточних рослин, дозволяє зробити висновок про недостатність в інформаційних джерелах даних для обґрунтування конструктивно-технологічної схеми і раціональних робочих параметрів пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин клонових підщеп.

У зв’язку з наведеним станом виникає необхідність у проведенні досліджень процесу розкриття кореневої системи маточних рослин з розробкою робочих органів відповідного пристрою, обґрунтуванням раціональних параметрів та режимів його роботи. На підставі узагальнення проаналізованого матеріалу слід зазначити, що найбільш доцільна технологія відкриття кореневої системи маточних рослин передбачає використання комбінованого пристрою з послідовно встановленими пасивними відгортачами та активними циліндричними щітками з вертикальними осями обертання і гнучкими робочими елементами у вигляді прутків ворсу.

У другому розділі “Теоретичні дослідження розкриття кореневої системи маточних рослин”, виходячи з умови максимального видалення ґрунту з валка при дотриманні агровимог щодо пошкодження рослин, обґрунтовано основні конструктивно-технологічні параметри робочих органів комбінованого пристрою для розкриття кореневої системи, які забезпечують раціональний режим його роботи; встановлено математичні залежності зміни абсолютної швидкості кінця прутка ворсу та продуктивності щітки з урахуванням прогину робочих елементів; складено рівняння потужності, необхідної для приводу щітки.

На підставі аналізу стану питання розкриття кореневої системи маточних рослин нами запропонована конструктивно-технологічна схема комбінованого пристрою, яка подана на рис. 1.

Під час роботи пристрій рухається так, що його повздовжня вісь збігається з віссю валка ґрунту, який вкриває маточні рослини, а щітки з гнучкими прутками ворсу обертаються назустріч одна одній. Спочатку відгортачі 1 видаляють частину ґрунту в міжряддя, а потім щітки 2 розкривають кореневу систему рослин.

Визначальне значення на ефективність роботи щітки має кут н, який утворюється в горизонтальній площині обертання щітки між передньою гранню прутка та напрямком абсолютної швидкості його кінця під час робочої фази. При його значенні більше 90є ґрунт прутком не видаляється, а лише ущільнюється, що є неприпустимо для виконання технологічного процесу. При значенні цього кута н близьких до 90° відбувається сколювання або зсув частинок ґрунту. В цьому випадку сила опору переміщенню передньої грані прутка ворсу буде направлена по вектору абсолютної швидкості х його кінця в протилежний бік. Сила збільшується від нуля з початку контакту прутка з ґрунтом і зростає по ходу обертання щітки.

Загальний опір F переміщенню прутка ворсу без урахування його прогину визначено, як суму опорів, що спричинені силою в’язкості ґрунту, силою статичного опору сипучих частинок ґрунту та силою опору відкидання частинок ґрунту за формулою

Аналізуючи рівняння (1) можна зробити такі висновки. При збільшенні щ до 20..25 рад/с зменшується подача ґрунту S, а тому і сила F теж зменшується. Подальше збільшення щ хоча і зменшує подачу, але значно збільшує абсолютну швидкість х кінця прутка ворсу, що збільшує опір ґрунту відкиданню, а також потребує більшого зусилля для подолання в’язкості ґрунту. Тому існує мінімум функції в межах щ = 17...25 рад/с, коли F приймає значення від 0,24 до 0,26 Н. Кутову швидкість у цих межах можна рахувати раціональною.

Збільшення швидкості руху агрегату ха спричиняє лінійне збільшення сили F, а збільшення кількості прутків z прутків ворсу навпаки лінійно зменшує F.

Сила опору F викликає прогин прутків ворсу, що в свою чергу зменшує значення радіуса щітки Rщ. Абсолютна швидкість х кінця прутка ворсу також зменшується. Для визначення впливу прогину прутка на основні параметри щітки застосовано еліптичні інтеграли Лежандра, які характеризують стан пружної лінії, введено модуль k і амплітуду еліптичного інтеграла ш. З використанням еліптичного інтеграла Лежандра першого роду отримано рівняння стану пружної лінії

Режим роботи прутка ворсу характеризується кутом ж0 між вектором сили і віссю недеформованого прутка. Менші значення кута ж0 (0..25°) характеризують більш рівномірну роботу прутка ворсу без різких напружень згину, а великі значення ж0 (особливо більше 60є) спричиняють різкі деформації прутка та різкі зміни внутрішніх напружень, що негативно відбивається на робочому процесі, призводячи до значних коливань прутка. Також, при зустрічі з рослиною при більшому куті ж0 прикладення сили потрібен більший, з боку рослини, опір для прогину прутка з метою обходу рослини. Відповідно, при більшому куті між вектором сили опору F та віссю прутка ворсу в процесі роботи такі прутки будуть спричиняти більший силовий вплив на маточні рослини, цим самим значно більше їх пошкоджуючи. Тому, з метою виключення або забезпечення мінімальних механічних пошкоджень маточних рослин у процесі їх розкриття, необхідно щоб кут між силою та віссю прутків ворсу наближався до 90°.

Задавшись значенням ж0, з рівняння (2) знайдена залежність максимальної довжини l прутка ворсу, при якій він витримує навантаження силою F, забезпечуючи виконання умови ж = 90є.

У процесі своєї роботи пруток ворсу малого перерізу може отримувати деформації при згині, що співрозмірні навіть з його довжиною. При великих переміщеннях принципи незалежності дії сил є неприйнятними оскільки напрям дії сили і її величина змінюються в процесі згину. За допомогою еліптичних інтегралів Лежандра другого роду визначено прогин прутка Дl.

Збільшення довжини l прутка ворсу призводить до збільшення його прогину Дl під час роботи. При чому прутки малої дожини можуть витримувати більші навантаження без прогину. Так, наприклад, пруток завдовжки 100 мм і жорсткістю 0,006 Н·м2 починає прогинатися при досягненні силою F значення 0,5 Н, а пруток завдовжки 150 мм – при досягненні силою F значення 0,2 Н. Прутки меншої довжини мають більш плавну характеристику залежності прогину відносно навантаження.

Пруток ворсу 1 під час контакту з ґрунтом описує траєкторію ОА (рис. 2). Від початку контакту з поверхнею ґрунту в точці О сила F опору переміщенню прутка зростає і досягає свого максимального значення в точці А на виході з шару ґрунту. Відповідно до зростання сили опору переміщенню збільшується і прогин прутка ворсу. При досягненні прутком точки А сила F різко зменшується і пруток різким рухом випрямляється. Траєкторія ОА, яку описує пруток у своєму абсолютному русі, буде залежати від поступальної швидкості ха руху машини та від швидкості обертання щ щітки. Рівняння руху кінця прутка 1 по цій траєкторії запишеться так:

де t – час, у який визначаються координати кінця прутка, с; x* – проекція величини відхилення прутка ворсу внаслідок прогину на вісь x, м; y* – проекція величини відхилення прутка ворсу внаслідок прогину на вісь y, м.

Після диференціювання рівнянь (5) при умові, що прогин прутка від точки О до точки А змінюється від нуля до Дl по синусоїді, отримали проекцію абсолютної швидкості кінця прутка ворсу на осі х і у залежно від кута повороту щітки.

З аналізу графіка (рис. 3), який побудовано згідно з (6), видно, що прогин прутка значно впливає на абсолютну швидкість його кінця. Так, при наших розрахунках (сила опору F = 0,3 Н, жорсткість ворсу Н = 0,00625 Н·м2, радіус щітки 0,2...0,26 м) пруток невеликої довжини (140 мм) мало прогинається і швидкість його кінця зменшується від 6,7 до 4,8 м/с майже по прямій, яка лише в кінці переходить у криву. При збільшенні довжини прутка характер зміни абсолютної швидкості його кінця змінюється. Так, при довжині ворсу 170 мм, швидкість суттєво зменшується в діапазоні від 7,6 до 3,3 м/с. А при збільшенні довжини ворсу до 200 мм спостерігається зменшення швидкості його кінця більше ніж в два рази (від 8,4 до 3 м/с) по ввігнутій кривій.

Для визначення продуктивності щітки використано методику визначення продуктивності фрези, але з урахуванням прогину прутків ворсу, а також було прийнято до уваги, що пруток ворсу видалятиме не весь ґрунт, який зустрічається на його шляху у робочій фазі. Продуктивність одного прутка ворсу визначили за формулою

, (7)

де S' – подача ґрунту на пруток ворсу з урахуванням його прогину, м; kп – коефіцієнт повноти видалення ґрунту прутком ворсу, ; kщ – коефіцієнт повноти видалення ґрунту щіткою, який визначається експериментально.

З урахуванням рівняння (7) продуктивність щітки визначалася як:

де Нщ – висота щітки, м.

Залежність (8) представлена у вигляді графіків при kп= 0,75 на рис. 4 та рис. 5.

З аналізу графіків (рис. 4) видно, що залежно від кутової швидкості щітки її продуктивність зростає. Але після досягнення щіткою кутової швидкості 25--–27 рад/с її продуктивність починає різко зменшуватися внаслідок збільшення сили, потрібної для відкидання сколених частинок ґрунту, а як результат виникає прогин прутків ворсу. Збільшення поступальної швидкості агрегату також підвищує продуктивність щітки, але до певної межі (0,77–0,78 м/с). Подальше збільшення поступальної швидкості призводить до зростання подачі ґрунту на пруток ворсу і як наслідок ворс починає прогинатися, а продуктивність щітки різко зменшується. Існує раціональна кількість прутків ворсу (70 шт.) в одному горизонтальному ряду щітки. Менша кількість прутків ворсу призводить до збільшення подачі ґрунту на кожен з них, а в результаті – до їх прогину і різкому зменшенню продуктивності. Подальше збільшення кількості прутків ворсу ніяк не впливає на продуктивність щітки.

Як видно з графіків (рис. 5) існує суттєвий взаємовплив між поступальною швидкістю руху агрегату ха та кутовою швидкістю щіток щ на їх продуктивність. Так, при швидкості руху ха =0,7 м/с збільшення кутової швидкості від 20 до 31 рад/с підвищує продуктивність щітки. Подальше збільшення щ зменшує продуктивність щітки через прогин прутків ворсу. При більших значення поступальної швидкості ха=0,9 м/с збільшення кутової швидкості щ в межах 20…40 рад/с лише зменшує продуктивність щітки. Це пояснюється тим, що поступальна швидкість руху агрегату значно впливає на силу опору переміщенню прутків ворсу, а як наслідок – значно збільшує їх прогин, що призводить до зменшення продуктивності щітки.

Ступінь розкриття кореневої системи маточних рослин пристроєм на ділянці валка завдовжки lв можна визначити за такою формулою:

(9)

де Vд – об’єм ґрунту, що видаляється дисками, м3; Vз – загальний об’єм ґрунту у валку, м3; Vр – об’єм, що займають у валку рослини, м3.

Для визначення потужності Nп, необхідної для приводу щітки, спочатку, за допомогою криволінійного інтеграла, визначили роботу Ап, що виконує один пруток ворсу на ділянці ОА (рис. 2) долаючи силу опору F залежно від кута повороту щітки б.

(10)

У певний момент часу в контакті з ґрунтом перебувають декілька прутків ворсу, що розміщені на щітці в одному горизонтальному ряду. Довжина дуги маточини щітки, на якій закріплені прутки, що одночасно перебувають у контакті з ґрунтом, обмежена кутом и. Знаючи кут між сусідніми прутками ворсу бв можна знайти кількість прутків, що одночасно перебувають у контакті з ґрунтом .

Оскільки з попереднього аналізу відомо, що значення сили опору від кута повороту щітки змінюється по синусоїді (згідно з рівнянням 1), то загальну потужність на привід щітки знаходимо як:

У рівнянні (11) дріб Нщ/а дозволяє врахувати кількість прутків ворсу на щітці по висоті за умови їх шахового розміщення.

Аналіз залежності (11) показує (рис. 6), що потужність на привід щітки при збільшенні кутової швидкості зростає. Так, при збільшенні кутової швидкості від 5 до 45 рад/с потужність зростає від 2,1 до 7,5 кВт. Кількість прутків ворсу на щітці незначно впливає на необхідну для її приводу потужність. Збільшення кількості прутків ворсу в одному горизонтальному ряду щітки на 10 штук підвищує потужність на 2,3...5 %. А тому по можливості краще використовувати щітки з меншою кількістю ворсу.

Результати теоретичного аналізу дозволили розробити методику розрахунку основних параметрів пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” викладена програма досліджень, описані прилади, дослідні установки і методи проведення експериментальних досліджень.

Відповідно до програми експериментальних досліджень визначено статистичні характеристики розподілу геометричних розмірів маточних рослин клонових підщеп і валка ґрунту, що їх вкриває; коефіцієнти тертя поліпропілену по ґрунту, тирсі та субстрату від швидкості хт та площі Sт тертя; вплив відстані між кінцями прутків ворсу суміжних щіток на якісні показники роботи пристрою; залежності якісних і енергетичних показників роботи пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин від поступальної швидкості агрегату ха, кутової швидкості щіток щ та кількості ворсу на щітках z; коефіцієнт повноти видалення ґрунту щіткою kщ і експлуатаційні показники роботи в умовах реального маточника.

Статистичні характеристики розподілу геометричних розмірів маточних рослин клонових підщеп і валка ґрунту, що їх вкриває визначено протягом 2003-2005 рр. у маточниках клонових підщеп Інституту садівництва УААН та ДГ “Новосілки” с. Новосілки Київської області. Визначено основні параметри валка ґрунту: ширина міжрядь, ширина основи та вершини, а також його висота, об’ємна маса ґрунту, його щільність; геометричні характеристики маточних рослин: діаметр кореневих голівок, глибина залягання голівок, відхилення рослин від осі ряду, ширина куща маточних рослин на рівні вершини валка, кількість та діаметр відсадків.

Коефіцієнт тертя поліпропілену по ґрунту, тирсі та субстрату від швидкості хт та площі Sт тертя, визначений у лабораторних умовах на базі УкрНДІПВТ з використанням розробленої установки, тензометричного обладнання та прикладних програм для ПК. Під час досліджень швидкість тертя становила 1,3; 3,25; 5,2 м/с, площа тертя змінювалася від 0,0025 до 0,0075 м2 з кроком 0,0025 м2.

Якісні та енергетичні показники процесу розкриття кореневої системи маточних рослин визначені в умовах маточника Інституту садівництва з використанням дослідного зразка розробленого пристрою (рис. 7). Попередньо визначали вплив відстані між кінцями прутків ворсу суміжних щіток на ступінь розкриття кореневої системи маточних рослин та ступінь їх пошкодження.

При дослідженнях якісних та енергетичних показників роботи поступальна швидкість ха агрегату становила 0,56; 0,72; 0,89 м/с, кутова швидкість щ щіток змінювалась від 22 до 36 рад/с з кроком 7 рад/с, а кількість прутків ворсу z в одному ряду щітки становила 60; 70; 80 шт. Реєстрацію змінних величин та контроль змінних факторів здійснили за допомогою датчика вимірювання частоти ДЧВ-1, шляховимірювального колеса, тензоланки на 10 т, амальгамованого ртутного струмознімача ТРАП-80 (рис. 8), підсилювача слабкого сигналу “Spider 8”, прикладної програми “Catman Express 5.1” та ноутбука.

Якісні показники: ступінь видалення ґрунту дзаг та ступінь пошкодження дп маточних рослин, визначено відповідно за рівняннями (12) та (13) згідно з рис. 9.

Коефіцієнт повноти видалення ґрунту щіткою kщ визначався як відношення реально видаленого щітками об’єму ґрунту валка Vщ до об’єму ґрунту, що мав би бути видалений.

Методом хронометражу визначалась продуктивність пристрою та коефіцієнт використання часу зміни. Для визначення вказаних залежностей використана методика планування трифакторого експерименту із застосуванням D-оптимального плану. Відповідні рівняння регресії були складені за допомогою прикладних програм “STATISTICA 6.0” та “SPSS 13”.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” наведено основні результати експериментів.

У результаті обробки статистичних характеристик розподілу геометричних розмірів маточних рослин та валка ґрунту, що їх вкриває одержані такі дані (таблиця ).

Таблиця 1

Статистичні розмірні характеристики ґрунтового валка та маточних рослин

Показники | Найменування маточника | Маточник ІС УААН | Маточник ДГ “Новосілки” | Статистичні характеристики | Середнє значення m, мм | Середньо квадра-тичне відхилення у, мм | Коефіцієнт варіації, % | Середнє значення m, мм | Середньо квадра-тичне відхилення у, мм | Коефіцієнт варіації, % | Ширина міжрядь | 1505 | 11 | 0,9 | 1509 | 10 | 0,8 | Ширина основи валка | 1100 | 7 | 0,6 | 1101 | 6 | 0,6 | Ширина вершини валка | 138 | 8 | 5,8 | 142 | 8 | 5,6 | Висота валка | 279 | 4 | 1,4 | 279 | 4 | 1,4 | Діаметр кореневих голівок | 141 | 23 | 16,3 | 152 | 21 | 13,8 | Глибина залягання голівок | 139 | 7 | 5 | 143 | 8 | 5,6 | Відхилення рослин від осі ряду | 60 | 34 | 56,7 | 62 | 34 | 54,8 | Ширина куща маточних рослин на рівні вершини валка | 27 | 7 | 43,2 | 31 | 6 | 36,8 | Кількість відсадків у рослини | 9 | 4 | 47,4 | 14 | 4 | 36,5

Діаметр відсадків | 8 | 3 | 36,2 | 9 | 3 | 32,8 | За даними досліджень погонна маса валка ґрунту в середньому дорівнює 184 кг/м, суміші ґрунту з тирсою у співвідношенні 3:2 – 139 кг/м, суміші ґрунту з тирсою у співвідношенні 3:17 – 107 кг/м. Заміряне відхилення маточних рослин від осі ряду найкраще відповідає логарифмічно-нормальному закону розподілу (рис. ), а інші – нормальному.

У результаті обробки даних з визначення динамічного коефіцієнта тертя поліпропілену по ґрунту fд1, по суміші ґрунту з тирсою fд2 та по тирсі fд3 отримані такі рівняння регресі:

, (14)

, (15)

. (16)

Встановлено, що коефіцієнт тертя меншою мірою залежить від площі тертя ніж від швидкості. При швидкості 5 м/с коефіцієнт тертя поліпропілену по ґрунту становить 0,3, по суміші – 0,35, по тирсі – 0,43.

На рис. 11 наведено зразки отриманих осцилограм параметрів пристрою для розкриття кореневої системи, які фіксувались під час проведення дослідів.

Попередніми дослідженнями встановлено, що раціональна відстань між кінцями прутків ворсу суміжних щіток становить 40 мм. При збільшенні цієї відстані зменшується ступінь розкриття маточних рослин, а при зменшенні цієї відстані різко зростає ступінь механічних пошкоджень рослин і порушуються агровимоги.

Отримані такі рівняння регресії, які дозволяють визначити залежності ступеня розкриття маточних рослин у1, ступеня їх механічного пошкодження у2, а також потужностей, необхідних для приводу щіток у3 та подолання тягового опору у4, від поступальної швидкості агрегату ха, кутової швидкості щіток щ та кількості ворсу на щітках z:

; (17)

; (18)

; (19)

. (20)

Значущі величини складових рівнянь визначені при ймовірності 0,95.

Аналіз графічних залежностей представлених рівнянь регресії показує, що максимальний ступінь розкриття кореневої системи маточних рослин (88–93 %) досягається при значенні кутової швидкості 29–31 рад/с (рис. 12, а). Зменшення швидкості щіток до 22 рад/с знижує ступінь розкриття на 2,5 %, а подальше її збільшення до 36 рад/с майже не впливає на ступінь розкриття маточних рослин. Залежно від поступальної швидкості агрегату найкращі показники ступеня розкриття 90,5...93 % отримані при ха = 0,56 м/с. Залежність ступеня розкриття від кількості прутків ворсу в одному горизонтальному ряду щітки зростає до досягнення z = 70 шт. Збільшення кількості прутків ворсу до 80 штук не впливає на ступінь розкриття.

Найменші пошкодження відсадків клонових підщеп (рис. 12, б) досягаються при менших значеннях кутової швидкості щіток. Так, при щ = 22 рад/с ступінь пошкодження варіюється в межах 0,9...4,7 % залежно від інших робочих параметрів, а при щ = 36 рад/с – в межах 6,6...10,4 %. І навпаки, більша поступальна швидкість агрегату зменшує ступінь пошкодження рослин, що пояснюється зменшенням кількості контактів прутків ворсу з рослинами. Так, при ха = 0,89 м/с, щ = 22 рад/с і z = 60 шт. ступінь пошкодження досягає значення 0,1 %, що значно менше допустимого агровимогами рівня. Менша кількість прутків ворсу на щітках також зменшує кількість контактів їх з рослинами, а відповідно і зменшує ступінь пошкодження.

З аналізу наведених залежностей (рис. 12, в) видно, що швидкість ха руху агрегату значно впливає на значення потужності як на привід щітки, так і на подолання тягового опору пристрою. Зменшення поступальної швидкості агрегату значною мірою зменшує енерговитрати на виконання технологічного процесу. Так, при зменшенні швидкості руху з 0,89 до 0,56 м/с затрати потужності на привід щітки зменшуються на 40 %, а потужність на подолання тягового опору зменшується з 1478 до 701 Вт. Зміна кутової швидкості щ щіток має невеликий вплив на значення потужності, необхідної для подолання тягового опору, і більш суттєво впливає на потужність для приводу щіток. При швидкості руху 0,72 м/с зростання кутової швидкості щіток від 22 до 36 рад/с збільшує витрати потужності з 5970 до 10250 Вт. Зменшення кількості прутків ворсу щіток z зменшує потужність на привід щіток та незначною мірою збільшує потужність на подолання тягового опору.

За результатами дослідів встановлено, що коефіцієнт повноти видалення ґрунту знаходиться в межах kп = 0,73…0,76 залежно від умов роботи. З урахуванням отриманих значень коефіцієнта kп є можливість теоретично оцінити залежність продуктивності щітки від основних параметрів її роботи.

Підтвердження достовірності даних теоретичного аналізу на підставі порівняння їх з даними експериментальних досліджень показано на прикладах співставлення залежностей ступеня розкриття д?заг та зміни потужності Nщ на привід щіток (рис. 13 (а, б)) від кутової швидкості щіток при різних поступальних швидкостях руху агрегату. Теоретичні криві побудовані по рівняннях (9) та (11).

Шляхом хронометражу визначена продуктивність пристрою для розкриття кореневої системи за годину чистої роботи, яка становила 0,33 га/год, а за годину змінного часу – 0,29 га/год.

У п’ятому розділі “Апробація результатів досліджень у виробництві, їх техніко-економічна ефективність” наведені експлуатаційні показники та розрахована економічна ефективність пристрою. Економія коштів на гектарі при застосуванні пристрою для розкриття кореневої системи – 205,59 грн. (45,6%), а економія затрат праці становить 109,17 люд-год (87,3 %) на 1 гектар маточника. Найбільші витрати коштів при застосуванні пристрою для розкриття кореневої системи припадають на паливо-мастильні матеріали – 26,6 % та відрахування на пристрій – 26 %.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз існуючих засобів механізації для розкриття кореневої системи маточних рослин перед відокремленням відсадків клонових підщеп та багатокритеріальний порівняльний аналіз технологічних процесів показав доцільність використання комбінованого розкриття рослин. Для його застосування у відповідному пристрої послідовно встановлені дискові відгортачі і циліндричні пруткові щітки з вертикальними осями обертання.

2. Встановлена доцільність забезпечення робочого режиму видалення ґрунту, при якому ширина ґрунтового валка, що залишається після проходу щіток дорівнює мінімальній відстані між кінцями прутків суміжних щіток.

3. Теоретичним аналізом встановлено вплив довжини і жорсткості гнучких прутків щітки на рівномірність їх руху і величину кута кришення ґрунту прутками. Значення максимального кута деформації прутка, при якому забезпечується його рівномірний рух, становить 25°. Прутки щітки прямокутного поперечного перерізу, передні грані яких встановлено під кутом 90° до поверхні борозен, що утворюються під час їх контакту з ґрунтом, забезпечують компромісне рішення завдання: відокремлюють частинки ґрунту з валка з незначним його ущільненням, а з іншого боку при контакті з рослиною прогинаються при меншій реакції з її сторони мінімізуючи механічні пошкодження рослин. Так, при куті між робочою гранню прутка ворсу і поверхнею ґрунту 80° пруток ворсу з поліпропілену з поперечним перерізом 1,5х2,5 мм та довжиною 140 мм починає прогинатися під дією сили в 0,11 Н, а при куті 10° – сила повинна становити 0,96 Н, тобто повинна бути майже в 9 разів більшою.

4. З урахуванням прогину прутка отримано залежності продуктивності щітки від геометричних і кінематичних параметрів. Залежно від кутової швидкості щітки її продуктивність зростає до 14,5 дм3/с. Але після досягнення щіткою кутової швидкості 25–27 рад/с її продуктивність починає різко зменшуватися внаслідок збільшення сили, потрібної для відкидання сколених частинок ґрунту, а як результат виникає прогин прутків ворсу. Збільшення швидкості агрегату до 0,8 м/с підвищує продуктивність щітки до 15 дм3/с. Подальше збільшення поступальної швидкості призводить до зростання подачі ґрунту на пруток і ворс починає прогинатися, а продуктивність щітки різко зменшується. Існує раціональна кількість прутків ворсу в одному горизонтальному ряду щітки. Так, в нашому випадку це 70 шт. Менша кількість прутків ворсу призводить до збільшення подачі ґрунту на кожен з них, збільшення кількості прутків ворсу ніяк не впливає на продуктивність щітки.

5. Отримана залежність потужності на привід щітки від її параметрів. Функція потужності на привід щітки від її кутової швидкості зростає. Так, при збільшенні кутової швидкості від 5 до 45 рад/с потужність зростає від 2,1 до 7,5 кВт. Кількість прутків ворсу на щітці незначно впливає на необхідну для її приводу потужність. Збільшення кількості прутків ворсу в одному горизонтальному ряду щітки на 10 штук підвищує потужність на 2…3,5 %.

6. На підставі результатів теоретичного аналізу процесу видалення ґрунту гнучким прутком розроблена методика визначення основних параметрів щітки, яка застосована для обґрунтування параметрів дослідного зразка пристрою.

7. Експериментальними дослідженнями встановлено залежності якісних показників видалення ґрунту і механічного пошкодження маточних рослин від кутової швидкості обертання щіток, поступальної швидкості пристрою і кількості прутків на щітці при заданій умовами роботи товщині шару ґрунту, що видаляється. Видалення щітками до 93,5 % ґрунту забезпечується при кутовій швидкості обертання 29 рад/с, при поступальній швидкості 0,56 м/с і кількості прутків ворсу в одному ряду 80 шт. Збільшення кутової швидкості щіток понад 32 рад/с при поступальній швидкості пристрою 0,9 м/с і кількості ворсу в одному ряду 70 шт. призводить до зростання показника пошкодження понад 3 %, який є межею згідно з агротехнічними вимогами.

8. Аналіз отриманих у результаті експериментальних досліджень залежностей продуктивності щіток і потужності на їх привід від основних параметрів показав, що продуктивність щіток зростає при збільшенні поступальної швидкості агрегату, кутової швидкості щіток та кількості прутків ворсу на них. Також при збільшенні цих параметрів зростає потужність на привід щіток. Підтверджено вірогідність теоретичних залежностей визначення продуктивності щіток та потужності на їх привід при величині коефіцієнта повноти видалення ґрунту прутком kп = 0,73...0,76.

9. Впровадження технологічного процесу розкриття кореневої системи маточних рослин з використанням розробленого пристрою дасть змогу зменшити затрати праці у 7,9 рази та знизити наведені експлуатаційні затрати в 1,8 рази порівняно з ручним розкриттям. Питомий економічний ефект від впровадження 205,59 грн/га.

Результати досліджень впроваджені у виробництво в Інституті садівництва Української академії аграрних наук.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Войтік А.В., Привалов І.С., Фришев С.Г. Порівняльна оцінка технологій розкриття та відокремлення відсадків клонових підщеп // Науковий вісник НАУ. – 2005. – Вип. 80. – C. 62–66. (здобувачем проведено аналіз існуючих технологій та технічних засобів для розкриття кореневої системи маточних рослин).

2. Фришев С.Г., Войтік А.В. Взаємодія з ґрунтом прутка ворсу циліндричної щітки машини для розкриття кореневої системи маточних рослин клонових підщепНауковий вісник НАУ. – 2005. – Вип. 91. – С. 193–197. (здобувачем виконано теоретичний аналіз сили опору ґрунту переміщенню прутка ворсу та встановлена залежність між силою опору і параметрами прутка ворсу).

3. Войтік А.В. Визначення залежності між конструктивними і кінематичними параметрами циліндричної щітки з вертикальною віссю обертання // Техніка АПК. – 2006. – №8. – С. 29–31.

4. Войтік А.В., Фришев С.Г., Куніцький Р.І. Дослідження роботи пристрою для розкриття кореневої системи маточних рослин // Техніка АПК. – 2007. – №1–2. – С. 34–37. (здобувачем розроблена методика проведення досліджень та оброблені їх результати).

5. Войтік А.В., Фришев С.Г., Куніцкий Р.І. Дослідження умов роботи циліндричної щітки з вертикальною віссю обертання // Техніка АПК. – 2007. – № –5. – С. 11–13. (здобувачем визначено вплив прогину гнучких прутків ворсу на показники роботи щітки).

6. Фришев С.Г., Войтік А.В., Соколов В.О. Механізація трудомістких технологічних операцій у плодовому розсадництві // Науковий вісник НАУ. – 2007. – Вип. 107. Частина 1. – С. 309–314. (здобувачем запропонована технологія з використанням нових пристроїв).

7. Патент на корисну модель № 18777, Україна, МПК А01В 13/04 (2006.01). Щітка для розкриття рослин // Фришев С.Г., Мельник І.І., Войтік А.В. – №u200606096; Заявл. 1.06.2006; Опубл. 15.11.2006. Бюл. №11.

8. Позитивне рішення про видачу