Національний аграрний університет

Сівак Ігор Миколайович

УДК 631.5:629.793

Обґрунтування параметрів РЕГУЛЮВАННЯ розподільника мінеральних добрив в системі точного землеробства

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор, членкор УААН

Войтюк Дмитро Григорович,

Національний аграрний університет, директор

Навчально-наукового технічного інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, членкор УААН

Кравчук Володимир Іванович,

Український науково-дослідний інститут

прогнозування та випробування техніки і технологій для

сільськогосподарського виробництва імені Леоніда

Погорілого, директор

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Барановський Олександр Семенович,

Український науково-дослідний інститут механізації та

електрифікації сільського господарства, завідувач відділу

з науково-технічних проблем застосування добрив,

захисту рослин, обробітку ґрунту та сівби з виконанням

обов’язків завідувача лабораторії з науково-технічних

проблем захисту рослин

Захист дисертації відбудеться „06” травня 2008 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті України за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету України за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий „05” квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Г. Фришев

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Виробництво продукції рослинництва спрямоване на забезпечення населення біологічно повноцінною продукцією для лікування, харчування та використання в різних галузях господарського комплексу, виходячи з точки зору економічної доцільності та охорони навколишнього середовища.

В Україні домінують напрямки землеробства з використанням хімічних препаратів. Пов'язано це з багатьма факторами, але визначальним є те, що за розрахунками, через нестачу певних хімічних елементів у ґрунті, через хвороби рослин, наявність бур'янів і шкідників втрачається більше третини можливого урожаю. Для забезпечення належного рівня поживних речовин у ґрунті необхідно вносити мінеральні добрива. Витрати агрохімікатів у перерахунку діючої речовини на один гектар у світі зростають. Тобто існує проблема не тільки інтенсифікації процесів захисту рослин і внесення мінеральних добрив, але і пошуку нових механіко-технологічних шляхів економії ТМ та збереження навколишнього середовища.

Одним з таких шляхів є застосування механізованих технологій точного землеробства. Центральним моментом застосування технологій ТЗ є реалізація змінних норм внесення (ЗНВ) технологічних матеріалів (ТМ). Питаннями забезпечення ЗНВ ТМ займалися багато як вітчизняних так і зарубіжних вчених: В.М. Соколов, Ф.П. Смаковський, В.В. Адамчук, Л.В. Аніскевич. Рівень щільності розподілу мінеральних добрив визначається характером перебігу величин місцевизначених даних конкретного сільськогосподарського поля а також параметрами механізмів регулювання щільністю розподілу ТМ по площі поля. Цей факт необхідно враховувати при розрахунках параметрів оптимальних регуляторів інтенсивності потоку ТМ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Дослідження проведені в рамках наукової програми „Технічні засоби нового покоління сільськогосподарського виробництва”, відповідно до закону України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” (№ 2623- ІІІ), та в рамках науково-технічних тем: „Оптимізація механізованих технологій та удосконалення сільськогосподарських машин для системи точного землеробства” (ДР 0100U002908, 2000–2002 рр.), „Удосконалення механізованих процесів виробництва продукції рослинництва з використанням технологій точного землеробства” ( ДР 0103U005652, 2003 – 2005 рр.)

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності застосування механізованих технологій ЗНВ ТМ шляхом забезпечення точності реалізації заданих планів розподілу ТМ по площі поля.

Завдання досліджень:

1. Обґрунтувати доцільність застосування технології ЗНВ ТМ по ширині захвату та напрямку переміщення розподільника мінеральних добрив у сільськогосподарському виробництві.

2. Розробити і дослідити математичну модель та узагальнену схему обладнання системи керування процесами дозування і перерозподілу мінеральних добрив.

3. Виготовити експериментальну установку для дослідження системи керування щільністю розподілу мінеральних добрив та визначити технологічні режими роботи пневматичної дозуючої системи:

- обґрунтувати параметри приводу дозатора для варіювання зміною норми внесення;

- визначити раціональні параметри подільника ділильної головки пневматичної висівної системи для здійснення перерозподілу ТМ за чотирма технологічними смугами ширини захвату машини.

4. Розробити програмно-апаратний комплекс формування щільності розподілу мінеральних добрив у режимі 2D:

- розробити контролер та принципову схему керування переміщенням подільника ділильної головки;

- розробити механізм переміщення подільника ділильної головки.

5. На основі отриманих результатів досліджень створити експериментальний зразок розподільника мінеральних добрив з можливістю варіювання норми внесення технологічного матеріалу по ширині захвату на напрямку руху агрегату.

Об’єкт дослідження – процес внесення заданих змінних норм твердих мінеральних добрив у технологіях точного землеробства з регулюванням щільності їх розподілу по ширині захвату машини.

Предмет дослідження – реалізація ЗНВ ТМ по ширині захвату та напрямку переміщення розподільника мінеральних добрив відповідно до місцевизначених параметрів стану поля.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на положеннях системного аналізу, математичному апараті теорії автоматичного регулювання, теорії моделювання сигналів та систем керування, математичної статистики. Експериментальні дослідження проводились на основі стандартних методик випробування сільськогосподарської техніки.

Наукова новизна одержаних результатів

- розроблена математична модель зміни норми внесення ТМ як по ширині захвату, так і за напрямком переміщення розподільника твердих мінеральних добрив з пневматичним висівним апаратом у технологіях точного землеробства;

- на основі теоретичних та експериментальних досліджень, обґрунтовано раціональні параметри подільника ділильної головки пневматичного висівного апарату для здійснення керованого перерозподілу повітряно - міндобривної суміші між висівними каналами чотирьох технологічних смуг ширини захвату машини;

- розроблено та обґрунтовано принципово новий програмно-апаратний комплекс формування щільності розподілу мінеральних добрив у режимі 2D.

Практичне значення одержаних результатів. З використанням розроблених математичних моделей місцевизначеного перерозподілу ТМ по ширині захвату та напрямку руху розподільника мінеральних добрив та результатів лабораторно-польових досліджень, розроблено рекомендації, щодо високоточного внесення заданих норм мінеральних добрив у технологіях точного землеробства. Розроблені рекомендації передано до ВАТ „Хмільниксільмаш”, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Виготовлено дослідний зразок машини для реалізації ЗНВ ТМ по ширині захвату та напрямку руху розподільника мінеральних добрив, який досліджений в польових умовах та забезпечує економічну ефективність на рівні 65 грн. / га порівняно з іншими машинами, які використовуються для місцевизначеного внесення ТМ.

Новизна запропонованих технічних рішень захищена 2 авторськими свідоцтвами на винаходи.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. Вагомі здобутки експериментальних та практичних досліджень досягнуті у співавторстві із співробітниками проблемної лабораторії „Точне землеробство НАУ” і працівниками підприємств сільськогосподарського машинобудування.

При проведенні експериментальних досліджень здобувач розробив програму і методику досліджень, обґрунтував та виготовив конструкцію експериментальної установки, брав участь у проведенні досліджень і опрацюванні отриманих результатів.

Технічні рішення наведених досліджень захищені 2 патентами України.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на наукових конференціях НАУ з 2002 по 2006рр., Міжнародному форумі „Інтерагро 2005” (АТ „Київський Міжнародний контрактовий ярмарок” м. Київ, 2005), VI Міжнародній науковій конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки”, присвяченій пам’яті академіка П.М. Василенка (НАУ, м. Київ, 2005).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації описано в 4 наукових статтях, які опубліковано у фахових виданнях (3 – одноосібно), 2 рекомендаціях і 2 патентах України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 91 найменування, з них іноземних – 4, та 7 додатків. Загальний обсяг дисертації викладено на 135 сторінках, містить 66 рисунків та 10 таблиць.

Основний ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз способів та технологій внесення мінеральних добрив і обґрунтування доцільності місцевизначеного менеджменту» обґрунтовано роль і місце застосування міндобрив у сільськогосподарському виробництві та об’єктивну оцінку впливу процесу їх застосування на якість та собівартість продукції рослинництва. Одним із шляхів оптимізації застосування мінеральних добрив є обгрунтування локального їх застосування до площ елементарних ділянок поля, що підлягають менеджменту і рівня змінних норм внесення ТМ.

Так, наприклад, відомо, що польові місцевизначені параметри варіюють по всій площі поля і знаходяться в складному взаємозв’язку між собою та діючими факторами з боку оточуючого середовища.

Незалежно від напрямку руху МТА, ступінь варіювання місцевизначених параметрів знаходиться на однаковому рівні як за напрямком лінії гону, так і по ширині захвату машини. Це обумовлює необхідність керування нормою внесення ТМ як у напрямку руху МТА, так і в поперечному напрямку.

Тому одним із основних завдань є удосконалення існуючого парку машин для внесення мінеральних добрив, підвищення їх роздільної здатності шляхом застосування технологій змінних норм внесення мінеральних добрив по технологічних смугах ширини захвату машини.

Для якісної реалізації технологій змінних норм внесення технологічного матеріалу в системі точного землеробства, пріоритет мають машини зі штанговими робочими органами з пневматичними висівними апаратами завдяки таким перевагам, як стабільна ширина захвату та відсутність довільного перерозподілу мінеральних добрив у межах ширини захвату сільськогосподарської машини.

У другому розділі «Теоретичні передумови розробки програмно – апаратних засобів для місцевизначеного дозування мінеральних добрив» вирішена задача перерозподілу інтенсивності потоку ТМ на розподільниках мінеральних добрив шляхом застосування послідовних підсистем регулювання ЗНВ ТМ за технологічними смугами ширини захвату машини (рис. 1).

Ширина технологічної смуги повинна бути приблизно на порядок менша, ніж ширина захвату машини .

При застосуванні системи перерозподілу інтенсивності потоку ТМ з послідовними підсистемами регулювання і перерозподілу щільності ТМ по довжині гону та по ширині захвату машини, процес формування заданих норм внесення ТМ по площі поля знаходиться під контролем центральної комп'ютерної системи керування, яка, в свою чергу, працює під дією ГСП. Сигнал керування для дозатора розраховується центральним комп'ютером і передається по шині інформаційних даних, а кінцева щільність ЗНВ ТМ формується в результаті роботи спеціалізованого механізму перерозподілу з регульованим подільником двофазної суміші.

При цьому необхідно проводити керування положенням подільника ділильної головки механізму перерозподілу ТМ (рис. 2) в горизонтальній площині з метою виконання заданих планів розподілу ТМ.

Механізм працює так: згідно з сигналом контролера, механізм добрив приводу дозатора налаштовується на необхідну норму внесення по всіх технологічних смугах ширини захвату машини в конкретній точці поля, в якій знаходиться МТА. Паралельно сигнал від контролера подається на виконавчі сервомеханізми механізму перерозподілу інтенсивності потоку добрив, що виводять подільник ділильної головки у визначене положення, яке відповідає формуванню потрібної щільності ТМ по кожній технологічній смузі ширини захвату машини.

Керування інтенсивністю потоку двофазної суміші "повітря - частки добрив" відбувається за рахунок роботи механізму приводу дозатора. Необхідна частота обертання котушки дозатора забезпечується сервомеханізмом, режим роботи якого контролюється датчиком зворотного зв'язку та регулятором.

Розрахунок інтенсивності загального потоку добрив ведеться за такою формулою:

кг/с, (1)

Інтенсивність потоку ТМ є функцією координат місцезнаходження МТА в полі, а щільність розподілу ТМ по площі поля залежить, також, і від координат конкретної точки поля по ширині захвату МТА.

Задана норма внесення добрив (рис 3), що входить до рівняння (1) визначається виразом:

(2)

По заданій нормі внесення добрив розраховується інтенсивність загального потоку добрив, яку надалі треба перерозподілити так, щоб після проходу машини були сформовані задані норми.

При вирішенні задачі перерозподілу інтенсивності потоку ТМ по технологічних смугах виходимо з положення:

(3)

Для обраного прикладу розподільник працює за схемою з 4-ма технологічними смугами, кожна з яких дорівнює .

При вирішенні задачі перерозподілу ТМ по ширині захвату машини з схемою послідовного включення дозуючих і перерозподіляючих систем для випадку чотирьох висівних каналів (рис. 4) можемо записати:

(4)

З (4) маємо:

(5)

Рис. 4. Ділильна головка з чотирма висівними каналами.

Наявність визначених координат, за виразом (5), положення подільника ділильної головки в горизонтальній площині дозволяє однозначно вирішувати задачу формування заданих ЗНВ ТМ. На основі виразів (1, 2, 5) розроблено математичну модель процесу функціонування системи формування заданої щільності розподілу ТМ для розподільника мінеральних добрив, яка описується такою розрахунковою схемою (рис. 5).

Сигнал заданих змінних норм внесення ТМ надходить до блоку розрахунку сигналу управління 1. На цей же ж блок приходить сигнал від датчика контролю інтенсивності потоку добрив .

Рис. 5. Розрахункова схема керуванням процесами дозування і перерозподілу мінеральних добрив.

Модель датчика представимо рівнянням (Пантаєв М.Ф., Діанов В.Г.):

(6)

Рівень інтенсивності потоку добрив формується дозатором, робочі режими якого визначаються сигналом , який є вихідною величиною моделі блоку механізму приводу дозатора.

Інтенсивність, яку створює механізм приводу дозатора описується диференціальним рівнянням (Пантаєв М.Ф., Діанов В.Г.) :

(7)

Інтенсивність вихідного потоку добрив дозатора пов'язана з інтенсивністю вхідного потоку коефіцієнтом передачі :

, (8)

У результаті входження потоку добрив у потік повітря утворюється двофазна суміш "повітря-добрива". Цей процес описується моделлю утворення двофазної суміші з вихідним параметром . Процес утворення двофазної суміші характеризується дисперсними явищами, що характерні для змішування твердих часток з повітряним потоком, що рухається зі швидкістю більшою ніж швидкість витання часток добрив. При цьому запрограмована двофазна суміш буде сформована за умови симетричності епюри сигналу вихідного параметра . В нашому конкретному випадку така симетричність забезпечується рівнянням 4-го порядку (Пантаєв М.Ф., Діанов В.Г.):

, (9)

Надалі двофазна суміш надходить до ділильної головки, задача якої розподілити двофазну суміш "повітря-добрива" по тукопроводах відповідно до сигналу , який надходить від картограми-завдання. Блок розрахунку сигналу управління координує роботу механізму приводу подільника ділильної головки, задача якого виставити подільник у необхідне положення з координатами . Модель роботи електрифікованого механізму приводу подільника ділильної головки представимо рівняннями (Пантаєв М.Ф., Діанов В.Г.):

(10)

Нормальна робота механізму приводу подільника ділильної головки забезпечується завдяки функціонуванню датчиків контролю положенням подільника ділильної головки з вихідним сигналом . Представимо модель їх функціонування рівняннями (Пантаєв М.Ф., Діанов В.Г.):

(11)

В результаті описаних дій утворюється вектор потоків , кожен з яких надходить до відповідних тукопроводів. Робота останніх описується моделлю з вхідними сигналами та сигналом кінематичних параметрів руху агрегату , які надходять від датчика координат системи ГСП.

Положення подільника в ділильній головці визначає інтенсивність вихідного потоку добрив по кожному з чотирьох каналів регулювання () і описується рівнянням:

(12)

На виході з тукопроводів двофазна суміш "добрива-повітря" при дотриманні заданих режимів руху агрегату під дією ГСП утворюють кінцеву щільність розподілу ТМ по площі поля (рис.6). При цьому довжина лінії траєкторії руху двофазної суміші по тукопроводах не є сталою. Шлях руху добрив від ділильної головки до центральних сошників менший ніж до периферійних, що впливає на формування кінцевої щільності розподілу добрив на полі. Тому будемо враховувати цей факт коефіцієнтом транспортного запізнення. Тоді кінцева щільність розподілу ТМ по площі поля буде визначатися:

кг/га, (13)

Рівняння (4–7, 9–13) складають модель функціонування технологічної частини розподільника мінеральних добрив у технологіях ТЗ. Аналіз такої моделі дає можливість обрати структуру та значення параметрів законів регулювання та які забезпечують досягнення усталеності процесу функціонування, а також роботу при допустимих значеннях помилки виконання завдання.

Очевидно, що при виконанні технологічного процесу внесення мінеральних добрив, має місце більший період часу на доставку технологічного матеріалу до периферійних сошників робочого органу машини, тобто, сошники, які знаходяться ближче до ділильної головки отримують потік мінеральних добрив швидше за сошники, які знаходяться від неї далі, тому до бази даних бортового комп’ютера потрібно також вносити інформацію про час запізнення доставки технологічного матеріалу до крайніх сошників робочого органу машини.

Для точності реалізації визначеного перерозподілу інтенсивності потоку двофазної суміші між висівними каналами певних технологічних смуг, потрібно підібрати раціональні параметри подільника ділильної головки, який забезпечить якісне виконання поставленого завдання.

Отже, для внесення мінеральних добрив по чотирьох технологічних смугах, подільник повинен ділити вхідне вікно ділильної головки пневматичного висівного пристрою на чотири сектори, крім того, кожен із чотирьох секторів повинен обслуговувати висівні канали лише однієї технологічної смуги, також слід врахувати мінімізацію об’єму тіла подільника.

Для забезпечення поставлених умов, запропоновано хрестоподібний подільник у вигляді двох перехресних під прямим кутом планок ( рис. 7). Планки 1 на обох своїх кінцях мають пружні елементи, які фіксують подільник між секторами вхідного вікна ділильної головки

та висівними каналами технологічних смуг і дозволяють йому переміщуватися в ділильній головці.

Рис. 7. Хрестоподібний подільник.

l – довжина планки; Rдг – внутрішній радіус ділильної головки; Rв – радіус вхідного вікна ділильної головки; h – висота внутрішньої частини ділильної головки; b – висота подільника; bп –

висота пружного елемента.

Для вільного переміщення подільника в ділильній головці та якісного виконання перерозподілу повітряно – міндобривної суміші довжина планок повинна відповідати слідуючим межам:

Rдг ? l ? 3Rв. (14)

Для запобігання переміщенню частинок мінеральних добрив через кордони секторів ділильної головки висота планок подільника повинна бути рівною висоті внутрішньої частини ділильної головки h. Мінімальна довжина пружних елементів подільника l п min забезпечує його центральне положення відносно висівних каналів ділильної головки, а максимальна довжина l п max дозволяє переміщувати подільник у його крайнє положення:

l п min = (Dдг – l ) / 2, l п max = Dдг – l, (15)

де: Dдг – внутрішній діаметр ділильної головки; l – довжина планки подільника.

Враховуючи зменшення висоти пружного елемента bп при його видовженні, приймаєм: b п = 1,1 h (16)

При використанні такого типу подільника, кут контакту частинки мінеральних добрив з його тілом буде відсутнім, в наслідок чого відбивання частики мінеральних добрив від його поверхні буде відсутнім.

Отже вибраний тип подільника є раціональним варіантом забезпечення точного перерозподілу повітряно-міндобривної суміші між висівними каналами чотирьох технологічних смуг ширини захвату машини.

У третьому розділі «Програма і методика експериментальних досліджень системи керування щільністю розподілу мінеральних добрив» сформульовано основні задачі експериментальних досліджень та методика їх проведення.

Програма досліджень складається з таких основних питань:

1. Дослідити процеси дозування і перерозподілу мінеральних добрив з програмно-апаратним комплексом для формування щільності розподілу мінеральних добрив у режимі 2D;

2. Визначити технологічні режими роботи пневматичної дозуючої системи при застосуванні конусного подільника ділильної головки;

3. Визначити раціональні параметри подільника ділильної головки пневматичного висівного апарату;

4. Провести дослідження системи керування щільністю розподілу мінеральних добрив та визначити конструктивні параметри і технологічні режими роботи пневматичної дозуючої системи, приводу дозатора для варіювання зміною норми внесення ТМ;

5. Дослідити якість роботи експериментального зразка розподільника мінеральних добрив з можливістю варіювання норми внесення технологічного матеріалу по ширині захвату на напрямку руху агрегату;

6. Провести аналіз економічної ефективності застосування запропонованих методики та програмно-апаратних комплексів.

Для дослідження процесів дозування і перерозподілу мінеральних добрив розроблено лабораторну установку (рис.8), яка побудована на принципі "натурального зразка", тобто параметри та розміри всіх вузлів та елементів установки максимально наближені до реальної конструкції машини, яка розробляється, з пневматичним типом транспортування та висіву технологічного матеріалу.

Експериментальна установка розрахована на ширину захвату, що дорівнює 12 м. Для реалізації питання керування перерозподілом мінеральних добрив, ширина захвату експериментальної установки поділена, як було зазначено вище, на чотири технологічні смуги по 3 м, що є достатнім для тестування висунутих гіпотез і визначення основних техніко-експлуатаційних характеристик машини, що проектується.

Дослідження роботи конусного подільника ( рис. 9 (б) вказують на неточність виконання керованого перерозподілу мінеральних добрив між технологічними смугами ширини захвату сільськогосподарської машини.

Дослідження хрестоподібного подільника показують (рис. 9 (а), що кількість висіяних міндобрив у технологічній смузі 3, в якій переміщується хрестоподібний подільник, поступово зменшується, це пояснюється зменшенням площі сектору вхідного вікна ділильної головки, який обслуговує дану технологічну смугу. Також по мірі віддалення подільника від його центрального положення, відбувається зменшення кількості висіяних мінеральних добрив у сусідніх технологічних смугах 2 і 4 та збільшення кількості висіяних мінеральних добрив у технологічній смузі 1 на ту величину, на яку зменшилась кількість висіяних мінеральних добрив у 2, 3 та 4 технологічних смугах, що також є наслідком відповідно до зменшення та збільшення площі вхідного вікна їхніх секторів.

Рис. 9. Діаграма перерозподілу мінеральних добрив: а) хрестоподібним подільником, б) конусним подільником.Отже, хрестоподібний подільник, є найбільш придатним елементом для точної реалізації місцевизначеного перерозподілу мінеральних добрив у пневматичних висівних апаратах сільськогосподарських машин з чотирма висівними каналами.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень і обґрунтування програмно-апаратного комплексу формування щільності розподілу мінеральних добрив у режимі 2D» розроблено узагальнену схему апаратури для керування процесами дозування і перерозподілу добрив пневматичного розподільника.

При обраному способі варіювання інтенсивністю потоку мінеральних добрив, подільник ділильної головки пневматичного висівного пристрою є керованим елементом, який згідно з сигналом контролера змінює своє положення в ділильній головці відносно до висівних каналів, чим здійснює перерозподіл мінеральних добрив по ширині захвату та напрямку руху сільськогосподарської машини.

У даному випадку на точність перерозподілу мінеральних добрив впливає робота програмно-апаратного комплексу (рис. 10), який визначає потрібне положення подільника в ділильній головці та за допомогою виконавчих механізмів переміщує його у визначене положення.

Навігаційна система GPS призначена для визначення положення агрегату на полі, відносно до світових координат. Карта поля К містить в собі інформацію про перебіг ділянок поля з різним вмістом поживних елементів. Крім системи навігації GPS, контролер має електронний компас U – пристрій, який визначає положення агрегату відносно сторін світу.

Датчик швидкості V визначає швидкість переміщення машини по площі поля. На основі отриманої інформації від вищеописаних джерел формується загальна норма внесення Qзаг мінеральних добрив по всій ширині захвату машини. Далі сигнал надходить до контролера, який налаштовує дозуючий пристрій машини на потрібну, загальну для всіх технологічних смуг, норму внесення мінеральних добрив Qзаг та керує переміщенням подільника ділильної головки пневматичного висівного апарату. При переміщенні подільника від його центрального положення в сторону висівних каналів певної технологічної смуги, площа сектору вхідного вікна ділильної головки через яку проходять мінеральні добрива до висівних каналів цієї технологічної смуги – зменшується, що є наслідком зменшення інтенсивності потоку мінеральних добрив на даній технологічній смузі.

Площа сектору вхідного вікна ділильної головки визначається за стандартним математичним виразом:

, (17)

де – радіус сектору вхідного вікна ділильної головки; – кут дуги сектору.

При визначеній потрібній площі сектору вхідного вікна визначається необхідне переміщення подільника в ділильній головці:

(18)

де – радіус вхідного вікна ділильної головки.

За визначеним потрібним переміщенням для кожного із чотирьох секторів ділильної головки, визначаються координати X та Y положення подільника в ділильній головці, яке забезпечує визначену потрібну площу для кожного сектору вхідного вікна ділильної головки:

(19)

де L1,L2,L3,L4 – потрібне переміщення для 1,2,3 та 4 секторів ділильної головки; С – відстань між крайнім та центральним положенням подільника.

У п’ятому розділі «Дослідження розробленого зразка машини для змінних норм внесення мінеральних добрив» проведені дослідження якості керованого перерозподілу мінеральних добрив у режимі 2D на розробленому зразку сільськогосподарської машини.

Дослідження роботи розробленого обладнання на кількість висіяних мінеральних добрив проводилися при стаціонарному положенні енергетичного засобу (рис. 11 (б), при якому працювала лише сільськогосподарська машина, контролер та бортовий комп’ютер. При різних положеннях подільника в ділильній головці, мінеральні добрива висівалися у ємності з наступним зважуванням на вагах. Після зважування отримані результати порівнювалася із запланованою щільністю перерозподілу мінеральних добрив по ширині захвату машини при даному положенні подільника в ділильній головці. В польових умовах досліджена робота розробленого обладнання під дією ГСП ( рис.11 (а).

У польових умовах час перелаштування розробленого програмно-апаратного комплексу з однієї норми внесення ТМ на іншу сягає t = 1...2 с, що є достатнім для точного місцевизначеного внесення ТМ. Перед розробленим програмно-апаратним комплексом розподільника мінеральних добрив було поставлене завдання ідентичне тому, що вводилося до розрахункових блоків математичної моделі в програмному середовищі Simulink. На основі отриманих результатів побудована епюра розподілу мінеральних добрив за технологічними смугами ширини захвату машини (рис.12).

Отримана епюра відповідає епюрі розподілу матеріалу за технологічними смугами ширини захвату розподільника мінеральних добрив, отриманій в аналізі роботи розробленої математичної моделі. Це підтверджує адекватність функціонування розроблених програмно-апаратного комплексу та математичної моделі процесам формування місцевизначеного перерозподілу мінеральних добрив між технологічними смугами ширини захвату машини.

Порівняльна оцінка виконання технологічної операції внесення мінеральних добрив розподільниками зі сталою, змінною лише за напрямком

переміщення нормами внесення ТМ та розробленого зразка наведена в табл. 1. Для порівняльної оцінки використані як вітчизняні, так і зарубіжні зразки сільськогосподарської техніки для внесення мінеральних добрив.

Таблиця 1 - Порівняльна оцінка виконання технологічної операції внесення мінеральних добрив різними типами розподільників

Марка розподіль-ника | Характер норми внесення | Площа поля, га | Витрата мін-добрив,

кг | Ціна мін- добрив,

грн. / кг | Сума затрат, грн | Еконо ефект,

грн. / га

СУ–12 | Стала | 0,432 | 95 | 1,5 | 142,5 | -

d | Змінна за напрямком руху | 0,432 | 71,5 | 1,5 | 107,25 | 81,6

Розробле-ний зразок | Змінна за напр.руху та по ширині захвату |

0,432 |

53 |

1,5 |

79,5 |

145,8

Отже, для агропромислового комплексу та господарств України, операцію внесення мінеральних добрив економічно та екологічно доцільно виконувати розподільниками мінеральних добрив, які працюють за технологією змінних норм внесення технологічного матеріалу в режимі 2D.

Висновки

1. На основі існуючих досліджень встановлено, що використання машин для виконання операції внесення мінеральних добрив із змінною по ширині захвату та напрямку переміщення, нормою внесення технологічного матеріалу – на 95% забезпечує однакові умови росту та розвитку рослин по всій площі поля.

2. Розроблена математична модель автоматизованої зміни норми внесення ТМ як по ширині захвату, так і по напрямку переміщення розподільника мінеральних добрив у технологіях точного землеробства описує узгоджену роботу дозуючих та перерозподіляючих систем у процесі формування місцевизначеної щільності розподілу технологічного матеріалу по площі поля.

3. Для здійснення керованого перерозподілу двофазної суміші між висівними каналами ділильної головки пневматичного висівного пристрою, подільник повинен мати мінімальний об’єм тіла, що знижує ковзання і відбивання частинок мінеральних добрив від його поверхні та виключає утворення аеродинамічної тіні при його переміщенні у крайні положення відносно до вхідного вікна ділильної головки. Керування інтенсивністю загального потоку мінеральних добрив у пневматичному висівному апараті доцільно здійснювати зміною частоти обертання котушки дозатора, яка забезпечується сервомеханізмом.

4. Для забезпечення точності реалізації заданих планів внесення мінеральних добрив по ширині захвату та напрямку переміщення машини, до програмного забезпечення контролера потрібно вносити поправку на час запізнення роботи механічної частини програмно-апаратного комплексу, що становить с та на час запізнення доставки технологічного матеріалу до периферійних сошників розподільника мінеральних добрив, який має значення с. Застосування в системі навігації електронного компаса дає вичерпну інформацію про положення агрегату в полі не лише відносно до світових координат, а і відносно до сторін світу, що особливо актуально для широкозахватних агрегатів, стосовно ЗНВ мінеральних добрив по ширині захвату машини.

5. Створений експериментальний зразок розподільника мінеральних добрив із змінними нормами внесення ТМ по ширині захвату та напрямку переміщення машини дає економічну ефективність, порівняно з машинами із змінними нормами внесення мінеральних добрив лише по напрямку руху – 64,2 грн./га, а порівняно з машинами із сталими нормами внесення мінеральних добрив – 145,8 грн./га (при ціні міндобрив 1,5 грн./кг).

1.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових виданнях

1. Сівак І.М. Механізація застосування змінних норм внесення мінеральних добрив// Науковий вісник НАУ. – 2003. – Вип. 60. – С. 312–314.

2. , Аніскевич Л.В., Сівак І.М., Зелінський М.З.. Розробка спеціалізованого обладнання пневматичних машин для високоточного внесення заданих норм мінеральних добрив в системі точного землеробства. Рекомендації. – К.: Видавничий центр НАУ. – 2005. – 52 с.

3. Войтюк Д.Г., Аніскевич Л.В., Захарін Ф.М., Сівак І.М.. Моделювання адаптивних технологічних процесів місцевизначеного землеробства. Рекомендації. – К.: Видавничий центр НАУ. – 2007. – 55с.

Авторські свідоцтва і патенти України

4. Аніскевич Л.В., Сівак І.М., Войтюк Д.Г. Пристрій для розподілу мінеральних добрив. Патент України № 65246. Опубл. 15.11.2005. Бюл. № 11. (Здобувачем розроблено подільник ділильної головки пневматичного висівного апарату з керованою зміною геометричних характеристик).

5. Аніскевич Л.В., Сівак І.М., Войтюк Д.Г. Пристрій для керування розподілом технологічного матеріалу в системі точного землеробства. Патент України № 75760. Опубл. 15.05.2006. Бюл. № 5. (Здобувачем розроблено керований механізм переміщення подільника в ділильній головці пневматичного висівного апарату).

Сівак І.М. Обґрунтування параметрів регулювання розподільника мінеральних добрив в системі точного землеробства. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет, Київ, 2008.

Дослідження спрямовані на розв’язання науково - технічної проблеми реалізації місцевизначеного розподілу технологічного матеріалу розподільником мінеральних добрив, в межах ширини його захвату та за напрямком його переміщення по площі поля.

Автором розроблена та практично досліджена математична модель місцевизначеного перерозподілу ТМ по ширині захвату та напрямку руху розподільника мінеральних добрив та виготовлено дослідний зразок машини для реалізації ЗНВ ТМ по ширині захвату та напрямку руху, який досліджений в польових умовах та забезпечує економічну ефективність рівну 65 грн/га, порівняно з іншими машинами, які використовуються для місцевизначеного внесення ТМ.

Ключові слова: точне землеробство, місцевизначена інформація, дозатор, подільник, система позиціонування, змінні норми внесення, мінеральні добрива.

Сивак И.Н. Обоснование параметров регулирования распределителя минеральных удобрений в системе точного земледелия. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Национальный аграрный университет, Киев, 2008.

Исследования направлены на решение научно - технической проблемы реализации местоопределенного распределения технологического материала распределителем минеральных удобрений, в пределах ширины его захвата и в направлении его перемещения по площади поля.

Одним из основных путей использования технологий точного земледелия в сельском хозяйстве – является использование переменных норм внесения технологических материалов. При этом уровень плотности распредиления технологических материалов определяется характером перемены местоопределенных данных сельскохозяйственного поля, а также параметрами механизмов регулирования плотности распределения технологических материалов по площади поля. Этот факт необходимо учитывать при расчетах параметров оптимальных регуляторов интенсивности потоков технологических материалов. Плотность распределения технологического материала обусловлена также площадью зон местоопределенного менеджмента, которая в свою очередь, зависит от принятой технологии точного земледелия, уровня вариации местоопределенных параметров поля, доскональности технических средств, что используются в технологии, от принятых алгоритмов сглаживания полевых данных и методов построения картограмм заданных норм внесения, от финансовых затрат на проведение отдельных работ и т.д..

Принципиально важно выполнять операции переменных норм внесения технологических материалов с высокой пространственной точностью реализации. Лучшие результаты менеджмента достигаются на таких участках поля, где большие родючие особенности грунта и при этом правильно рассчитаны нормы внесения питательных веществ с высокой пространственной точностью. При этом «вес» неоптимальных решений, касательно норм внесения удобрений на этих участках, также возрастает. Последнее непосредственно указывает на то, что важно не только выбрать правильный алгоритм обчисления необходимой нормы внесения технологического материала, но и с необходимой для каждого конкретного случая точностью реализовать выщитаные нормы внесения технологических материалов по площади поля.

Независимо от направления движения МТА, степень вариации местоопределенных параметров находится на одинаковом уровне как по направлению движения машины, так и по ширине ее захвата. Это обусловливает необходимостью управления технологического материала как по направлению движения МТА, так и в поперечном направлении.

Автором разработана и практически исследована математическая модель местоопределенного распределения технологического материала по ширине захвата и направлении движения распределителя минеральных удобрений и изготовлен исследуемый образец машины для реализации переменных норм внесения технологического метериала, по ширине захвата и направлении движения, который исследован в полевых условиях и обеспечивает экономический эффект 65 грн/га, сравнительно с другими машинами, которые используются для местоопределенного внесения технологического материала.

Ключевые слова: точное земледелие, местоопределенная информация, дозатор, делитель, система позициирования, переменные нормы внесения, минеральные удобрения.

Sivak I.M. Substantiation of parameters of the spreader of fertilizers in the system of precision agriculture. – Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on the speciality 05.05.11 – machines and means of mechanization of the agricultural production. National Agricultural University, Kyiv, 2008.

The researches are directed on the solution of the scientifically-technical problem of realization of the place determined spreading of a technological material by the spreader of fertilizers, within the limits of the width of its capture and for the direction of its transference on the field area.

The author designed and practically investigated the mathematical model of the place determined respreading of technological material on the width of capture and direction of motion of the spreader of fertilizers. The trial test machine for realization of changeable rates of application technological material on the width of capture and direction of spreader motion, which was investigated in the field conditions and provides for economic efficiency equal 65 ua/hectares comparing with other machines, which are used, for the place determined application of technological material has been produced too.

Keywords: precision agriculture, place determined information, bather, spreader, system of positioning, changeable rates of application, fertilizers.