Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛУГАНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

УДК 631.3.004.14:636

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ РОБОЧОГО ОРГАНУ ГЛИБОКОРОЗПУШУВАЧА ДЛЯ ОБ'ЄМНОГО СМУГОВОГО ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ

ОВЧАРЕНКО ОЛЕКСІЙ

АНАТОЛІЙОВИЧ

Луганськ - 2005

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент, Чекановкін Олексій Олексійович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри "Опір матеріалів і теоретична механіка"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Бабицький Леонід Федорович, Південний філіал „Кримський державний агротехнологічний університет” Національного аграрного університету, завідувач кафедри механізації і технічного сервісу кандидат технічних наук, доцент, Коломієць Сергій Матвійович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри механізації тваринництва

Провідна установа: Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П.М.Василенка Міністерства аграрної політики України, м. Харків

Захист відбудеться “22” грудня 2005 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 при Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ - 8, Луганський національний агарний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 1М-214

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луганського національного аграрного університету (91008, м. Луганськ - 8, Луганський національний агарний університет)

Автореферат розіслано “19” листопада 2005 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Коваль В.Я.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Окремі культури, типу соняшника, в силу своїх біологічних властивостей, за період вегетації рослин поглинають із ґрунту глибиною до 5 м значну кількість вологи та харчових сполук. Тому, для отримання запланованої врожайності, необхідно своєчасно поновлювати достатність їх запасів. Як правило, робиться це звичайною оранкою з одночасним залученням органо-мінерального підживлення. Однак при цьому спостерігається інтенсивне зневоднення ґрунту, погіршується його структура та утворюється ущільнена плугом підошва, яка запобігає збереженню родючості більш глибоких прошарків. До того ж, без рослинного покрову ґрунт не в змозі ефективно протистояти водній та вітровій ерозії, особливо при недостатньому внесенні органічних добрив. В результаті найбільш родюча його частка інтенсивно дрейфує з ланів у балки та яруги, замулюючи на своєму шляху річки та водоймища. Незадовільно працює оранка й у якості регулятора водного балансу, так як після осадів і високих літніх температур ефект від розпушення діє тимчасово і ґрунт швидко перетворюється у моноліт. В результаті витрати на виробництво культури зростають, стан ґрунту погіршується, врожайність зменшується.

Із числа альтернативних, перспективним являється спосіб глибокого смугового розпушення, який в змозі забезпечити ощадний обробіток головних зон розташування кореневих систем рослин у ґрунті при зменшених енерговитратах. Для його здійснення доцільно залучати машини з об'ємним типом робочих органів, що мають V-подібну форму й складаються із розімкнених пар похилих стовб. Дані глибокорозпушувачі, виконуючи ґрунтозахисні функції, не створюють плужної підошви, забезпечують високу безполичну якість розпушення та добрий вологозаряд. Однак, застосування симетрично похилих стовб з метою смугового обробітку достатньо не досліджено, відсутнє обґрунтування їх параметрів і режимів роботи у єдиному комплексі, здатному забезпечити належну якість обробітку при мінімальних енерговитратах і водовтратах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота має безпосередній зв'язок з науково-дослідною темою Луганського національного аграрного університету 1.4.1. АМ „Нетрадиційна смугова ґрунтозахисна енергозберігаюча технологія вирощування кукурудзи і соняшнику” - номер державної реєстрації 0199V003720 і бюджетною темою тематичного плану НДР та ДКР ЛНАУ 3.2.5 М „Фізико-механічні основи технологічних процесів аграрного виробництва. Розділ 2 - Механіка руйнування ґрунту, підрозділ 1 - Дослідження процесу розпушення ґрунту для вирощення соняшнику і створення розпушувача для смугового обробітку”, які виконувалися протягом 2001-2004 років.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є зниження енергетичних і трудових витрат при основному обробітку ґрунту під соняшник, а також покращення агротехнічного стану ґрунту за рахунок застосування об'ємного смугового глибокорозпушувача з раціональними параметрами робочих органів.

Для досягнення поставленої мети в роботі було визначено такі завдання:

- встановити найбільш прийнятний тип робочого органу для проведення смугового розпушення ґрунту;

- знайти значення параметрів робочих органів глибокорозпушувача, при яких відбувається локалізація розпушення лише в межах простору між стовбами;

- розробити імітаційну модель розпушення ґрунту похилими стовбами, яка дозволить в єдиному комплексі і з достатньою достовірністю забезпечити проектування робочих органів смугового глибокорозпушувача;

- теоретично визначити вплив параметрів робочих органів на енергоємність і якість розпушення ґрунту, виявити найбільш значущі параметри;

- експериментально дослідити вплив найбільш значущих параметрів робочого органу на енергоємність процесу розпушення;

- розробити методику проектування робочих органів для смугового обробітку ґрунту, який забезпечить мінімальні витрати енергії на здійснення процесу розпушення при умові додержання високої якості обробітку;

- виконати науково-виробничу перевірку результатів дослідження та надати техніко-економічну оцінку щодо застосування смугового глибокорозпушувача при основній обробці ґрунту під соняшник в умовах Лісостепу України.

Об'єкт дослідження - технологічний процес глибокого смугового розпушення ґрунту та робочий орган для його здійснення.

Предмет дослідження - взаємозв'язки параметрів робочого органу смугового глибокорозпушувача з енергоємністю та якістю розпушення ґрунту.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладено теорію клина, основні положення теорії пружності та пластичності, теоретичної механіки, імітаційного моделювання, а також вищої математики і векторної алгебри. Експериментальні дослідження виконані з застосуванням методів математичної статистики та планування багатофакторних експериментів, серед яких: метод покрокового регресійного аналізу, найменших квадратів, подоби, аналізу розмірностей, релєєвський метод рішення розмірних систем. Значну роль у роботі посіли чисельні методи, зокрема метод кінцевих елементів, підбору, послідовних наближень, а також ітераційний метод Квазі-Ньютона та Ньютона-Рафсона. Ефективність застосування розробленого знаряддя визначалась за допомогою методів економічної оцінки використання сільськогосподарської техніки.

Наукова новизна отриманих результатів. Найважливіші результати дослідження, що характеризують наукову новизну і виносяться на захист, полягають у наступному:

- вперше отримано рівняння, яке дозволяє надати робочому органу такі параметри, що забезпечують максимальну повноту смугового розпушення прикореневих зон рослин;

- розроблено нову імітаційну модель розпушення ґрунту розімкненими похилими стовбами з застосуванням метода кінцевих елементів; на відміну від існуючих, дана модель враховує дію усіх параметрів робочого органу та фізико-механічні властивості ґрунту, а також дозволяє безперервно відстежувати в процесі роботи повну картину напружньо-деформованого стану робочих органів і оброблюваного ґрунтового прошарку;

- вперше отримано математичні моделі, що встановлюють зв'язок енергоємності та якості процесу об'ємного смугового розпушення ґрунту з параметрами розпушувача, його режимами роботи і станом ґрунту, який обробляється;

- вперше встановлено експериментальну залежність впливу конструкторських параметрів, технологічних режимів роботи та стана ґрунту на тяговий опір об'ємного смугового глибокорозпушувача.

Новизну технічних рішень, отриманих і прийнятих під час розробки та дослідження об'ємного смугового глибокорозпушувача, підтверджено деклараційними патентами на корисну модель № 3102 та № 7245.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено методику проектування об'ємного смугового глибокорозпушувача та комп'ютерну програму для його здійснення.

За результатами проведених досліджень розроблено комплект конструкторської документації для виготовлення робочих органів об'ємного смугового глибокорозпушувача “Смугар”, який передано виробнику для впровадження у виробництво - ДП “Машинобудівник” ХК “Луганськтепловоз”. Виготовлено партію із двох дослідних машин, які пройшли виробничу апробацію на ДП “Навчально-дослідне господарство” ЛНАУ та агрофірмі “Лан” Сватівського району Луганської області.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження по темі дисертації, що виконані дисертантом особисто, а саме:

- обґрунтовано вибір робочого органу для смугового обробітку ґрунту;

- розроблено та досліджено імітаційну модель процесу;

- теоретично розраховано раціональні параметри робочих органів смугового глибокорозпушувача;

- розроблено методику та проведено дослідження впливу найбільш значущих параметрів нового робочого органу на енергоємність процесу розпушення в лабораторних умовах;

- розроблено методику та виконано експериментальну перевірку теоретичних положень дисертаційної роботи;

- розроблено методику проектування об'ємного смугового глибокорозпушувача;

- надано економічну оцінку ефективності використання розробленого смугового глибокорозпушувача для основного обробітку ґрунту під соняшник.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації докладалися на щорічних науково-технічних конференціях Луганського національного аграрного університету (м. Луганськ 2000...2005р.), Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь 2005р.), міжнародної науково-технічної і методичної конференції “Актуальні проблеми математики, механіки і комп'ютерних технологій” (м. Херсон 2005р.), регіональної науково-практичної конференції “Енергетика в АПК” (м. Мелітополь 2005р.).

У повному обсягу дисертаційну роботу було заслухано та обговорено на розширеному засіданні кафедри “Опір матеріалів і теоретична механіка” Луганського національного аграрного університету (м. Луганськ 2005р.) та на ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків 2005р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України, з них 6 - самостійних. Отримано 2 деклараційних патенти України на корисну модель (№3102 від 15.10.2004р. та № 7245 від 15.06.2005р.).

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, а також списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи - 157 сторінок, який ілюстрований 16 таблицями та 55 рисунками. Список використаних джерел містить 102 найменувань, які займають 9 сторінок. На 30 сторінках викладено 9 додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть наукової проблеми та її значимість, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну одержаних результатів та їх практичне значення, рівень апробації, дано загальну характеристику роботи.

У першому розділі “Сучасний стан проблем обробітку ґрунту під вирощення соняшника” наведені біологічні особливості культури соняшника, проаналізовані існуючі способи основного обробітку ґрунту та тенденції їх покращення. Здійснено порівняльний аналіз робочих органів, здатних виконувати глибоке безполичне смугове розпушення за заданою технологічною схемою. Критерії порівняння: якість розпушення та повнота смугового обробітку.

Якість оцінювалась ступенем розпушення е (таблиця 1). Повнота -коефіцієнтом повноти смугового обробітку з, який дорівнює відношенню статичного моменту площі поперечного перетину оброблюваної смуги до еталонного моменту Sе, в якості якого прийнято перетин прямокутної форми. Це виходить з того, що агрономічна цінність ґрунту зростає з глибиною обробітку, оскільки волога накопичується в нижніх прошарках, де вона менше випаровується. Отже, критерієм повноти обробітку має бути статичний момент площі S, який враховує площу кожного обробленого шару та його відстань до поверхні поля. Остаточно придатність робочих органів для смугового обробітку оцінена коефіцієнтом езаг, який дорівнює добутку ступеня розпушення на коефіцієнт повноти обробітку.

; ; ; (1)

де m<5 - об'єм частки розміром менш 5см; M - загальний об'єм.

Таблиця 1 - Порівняльні коефіцієнти робочих органів

Робочий орган	Ступень розпушення	Коефіцієнт повноти обробітку	Коефіцієнт придатності
Вертикальна чизельна стовба	0,25	0,64	0,16
Похила чизельна стовба	0,42	0,64	0,27
Об'ємний розпушувач з замкненим контуром	0,54	0,62	0,33
Об'ємний розпушувач з розімкненим контуром	0,81	0,95	0,77

Виходячи з таблиці 1, найбільш придатним для смугового обробітку є об'ємний розпушувач із розімкненим контуром

1 - похилі стовби; 2 - рама; 3 - оброблювана смуга

У наукових працях А.М. Зеленіна, В.С. Казакова, А.М. Панченко, В.М. Слєсарєва, В.В. Мальцева, П.В. Горохова, А.Г. Шитова, В.Г. Пальцева, Б.О. Шелудченко та ін. досліджено процес об'ємного розпушування ґрунту V-подібними робочими органами. Проте сфера їх застосування переважно спрямована на обробіток підорних прошарків важких ґрунтів з глибиною 0,40...0,85 м. При цьому ширина оброблюваних смуг коливається в межах 1,0...2,4 м, а швидкість обробітку низька - 0,6...1,0 м/с. Майже всі об'ємні розпушувачі мають стовби, які зв'язані лемешем або долотом. Тому, не дивлячись на родинність наведених процесів, відомі для замкнутих контурів результати без додаткових досліджень неможливо переносити на розімкнені контури. Це спонукає до необхідності оновлення теоретичних та експериментальних досліджень з метою виявлення раціональних параметрів робочих органів об'ємного розпушувача для смугового обробітку на глибину 0,30…0,35 м.

У другому розділі “Аналітичні дослідження процесу роботи смугового глибокорозпушувача та обґрунтування параметрів його робочих органів” наведено результати теоретичних досліджень процесу об'ємного смугового розпушення ґрунту розімкненим контуром, який складається з двох похилих стовб. Об'ємне розпушення ґрунту поєднує три пов'язані один з одним етапи: сколювання скиби, її стискання та схід з робочих органів.

Метою дослідження процесу сколювання є визначення параметрів стовб, що здійснюють розпушення ґрунту лише у міжстовбному просторі. Для цього необхідно, щоб бокова площина сколювання співпала з площиною повздовжнього переміщення ріжучих кромок похилих стовб. Робочу поверхню стовб можна прийняти за повернутий на деякий кут двогранний, тобто трьохгранний клин. Дослідження його роботи показало, що найбільший вплив на утворення й розвиток напрямку бокової площини сколювання здійснює кут загострення стовб б (рис.2). В результаті отримано рівняння, що дозволяє розрахувати оптимальне значення цього кута:

, (2)

де г - кут нахилу стовби у поздовжньо-вертикальній площині; в - кут нахилу стовби у поперечній площині; ц2 - кут внутрішнього тертя ґрунту; ц1 - кут зовнішнього тертя ґрунту; ш - кут сколювання ґрунту.

У зв'язку зі складністю процесу розпушення ґрунту, для комплексного дослідження впливу параметрів робочого органу на якість і енергоємність обробітку розроблено імітаційну модель. У неї ґрунт прийнято за суцільне ідеально-пружнє середовище Прандтля, яке характеризується модулем пружності, коефіцієнтом Пуассона, коефіцієнтом зчеплення, кутами внутрішнього та зовнішнього тертя. Оскільки процес є симетричним, у моделі розглянуто тільки одну його половину, другу враховано через граничні умови.

На робочу поверхню стовби з боку скиби діє сукупність направлених у просторі зосереджених сил, геометрична сума яких складає головний вектор R. З метою спрощення розрахунків його приведено до нижнього краю С стовби, з доданням головного моменту MC. Проекції головного вектору на вісі Оxyz характеризують енергетичний бік процесу розпушення: поперечна проекція Rx є силою стискання скиби, вертикальна проекція Ry - однією з сил заглиблення стовби, повздовжня проекція Rz - тяговим опором стовби. Якісну сторону процесу характеризує приріст пористості ґрунту після його розпушення, що дорівнює відносній об'ємній деформації еV.

При розробці імітаційної моделі було використано метод кінцевих елементів. В модель включено контактні взаємодії скиби зі стовбою та необроблюваною частиною ґрунту. Навантаження забезпечувалось шляхом переміщення робочої площини стовби на задану величину повздовж смуги. Враховуючи не лінійність властивостей матеріалу скиби та наявність значних деформацій, задачу вирішено ітераційним методом Ньютона-Рафсона.

Таким чином розроблено модель, яка дозволяє безперервно спостерігати в процесі роботи повну картину напружньо-деформовано-го стану стовб і орної скиби ґрунту (рис.4). Однак отримана модель безпосередньо не розкриває функціональної залежності параметрів робочого органу з силами Rx, Ry, Rz та збільшенням пористості ґрунту еV. Тому для виявлення цієї залежності на імітаційній моделі проведено експеримент, в якому використані характеристики реального ґрунту. Його результати дозволяють отримати математичні моделі впливу параметрів робочого органу (міжстовбної відстані L, товщини стовб t, глибини обробітку h, поздовжнього г та поперечного в кутів нахилу стовб, кута загострення стовб б) на енергоємність та якість процесу у вигляді рівнянь регресії другого порядку.

У третьому розділі “Програма та методика проведення експериментальних досліджень” викладено програму експериментальних досліджень, головною метою яких є перевірка залежностей, отриманих аналітичним шляхом, отримання математичних моделей процесу об'ємного розпушення ґрунту та визначення раціональних параметрів робочого органу глибокорозпушувача. Для наведених досліджень розроблено методики проведення імітаційного моделювання, лабораторних і польових експериментів.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” викладено результати імітаційного моделювання, лабораторних і польових досліджень. глибокорозпушувач культура ґрунт врожайність

В ході імітаційного моделювання отримано математичні моделі, які функціонально пов'язують параметри робочого органу глибокорозпушувача з енергоємністю та якістю процесу, якій він здійснює. Значимість факторів перевірено t-критерієм Стьюдента, якість складених рівнянь - коефіцієнтом детермінації R2, а адекватність - F-критерієм Фішера, який забезпечує рівень достовірності р.

; (3)

характеристика адекватності рівняння: R2=0,85; F=1•10-6; р=4,8•10-15.

; (4)

характеристика адекватності рівняння: R2=0,97; F=2•10-6; р=1,13•10-24.

(5)

характеристика адекватності рівняння: R2=0,88; F=3•10-8; р=6,2•10-17.

; (6)

характеристика адекватності рівняння: R2=0,90; F=1•10-6; р=1,3•10-17.

Аналіз отриманих повних математичних моделей свідчить про наступне: зміна параметрів робочого органу в бік покращення якості обробітку супроводжується збільшенням витрат енергії на здійснення процесу (рис. 5). Таким чином, з'являється передумова щодо необхідності вирішення компромісної задачі між якістю і енергоємністю. Одночасно визначено, що глибина обробітку не впливає на її якість. Таким чином, даний розпушувач можна використовувати без загрози зниження якості роботи на усякій глибині обробітку, якої вимагає система землеробства та технологія вирощування культури. Поперечна та поздовжня реакції мають однакові значимі фактори. Це свідчить про тісний зв'язок між ними, наявність якого остаточно підтверджується високим коефіцієнтом кореляції Пірсона, що складає 0,83. По відношенню до вертикальної реакції додатковим значущим фактором слід також вважати кут нахилу стовб у поздовжньо-вертикальній площині, що свідчить про його суттєвий вплив на їх заглиблення.

За допомогою розробленого лабораторного пристрою визначено, що залежність між кутом загострення стовби б і кутом відхилення площини сколювання д ґрунту близька до лінійної. Для чорнозему з кутами тертя ц1=22є и ц2=30є при вертикальному розташуванні стовби в поперечній площині (=0є) і поздовжньо-вертикальному нахилу г=20є ця залежність має наступний вигляд:

д=24,7 - 1,2•б. (7)

При д=0є, кут б має раціональне значення 20,6є. Отримані результати лабораторних досліджень підтверджують теоретичну формулу раціонального кута загострення (2), стосовно якої б=19,5є.

Результати імітаційного моделювання показали, що між силою стиснення ґрунту похилими стовбами та їх тяговим опором існує тісний зв'язок, при цьому найбільш значущими параметрами є товщина стовб t і кут їх нахилу в поперечній площині . В зв'язку з цим було проведено лабораторний експеримент, метою якого стало встановлення впливу кута нахилу та питомого стискання (визначається як відношення товщини стовб до відстані між ними) на зусилля стиску. Для забезпечення можливості переходу від умов роботи лабораторної установки до роботи реального робочого органу зусилля стиску замінено питомою роботою, що витрачається на стиск скиби з одиничною площиною:

а= С (251,9+1342,2241,9159,02+5,41033+2,932), (8)

де С - коефіцієнт зчеплення оброблюваного ґрунту.

Диференціювання залежності (12) по куту нахилу визначило оптимальне значення кута , при якому на стискання витрачається мінімальна робота:

опт=7,2+27,1. (9)

При плануванні польового експерименту використано метод аналізу розмірностей, який дозволив збільшити кількість факторів, замінивши їх безрозмірними комплексами:

, (10)

де Р - тяговий опір; V - швидкість обробітку; с - щільність оброблюваного ґрунту; a, c, d, g - невідомі показники ступенів.

За отриманими в ході експерименту даними, використовуючи метод найменших квадратів, визнаємо невідомі показники ступенів. Після їх врахування та здійснення відповідних спрощень однорідне рівняння тягового опору прийняло наступний вигляд:

, (11)

де V - швидкість обробітку, С - коефіцієнт зчеплення оброблюваного ґрунту, с - щільність ґрунту, Кт - коефіцієнт отриманий при імітаційному моделюванні (КТ =?111,7Н).

Рівняння (11) підтверджує зроблений в ході імітаційного моделювання висновок про суттєвий вплив на тяговий опір товщини стовб, кута їх нахилу в поперечній площині та глибини обробітку. Із властивостей ґрунту найбільш значущим є така характеристика міцності, як коефіцієнт зчеплення. Інерційна ж характеристика, якою є щільність, впливає на процес у меншій мірі, що говорить про незначні переміщення ґрунту у напрямку дії сили тягового опору. Графічно залежність (11) наведено на рис. 6 (незадіяні параметри дорівнюють їх середнім значенням).

Результати польових досліджень використано для здійснення верифікації імітаційної моделі, яка показала її адекватність реальному процесу розпушення ґрунту похилими стовбами.

У п'ятому розділі “Впровадження результатів розробки у виробництво. Техніко-економічна ефективність” наведено порядок проектування смугового глибокорозпушувача з робочими органами об'ємного типу, а також визначено ефективність його використання.

Раціональні параметри робочого органу знайдено за умови отримання потрібної якості розпушення при мінімальних енерговитратах:

, (12)

Якісний бік процесу розпушування, який оцінювали приростом пористості ґрунту, можна описати рівнянням (6). При цьому найбільш ефективне значення цієї величини дорівнює 0,25...0,30. Для характеристики енергоємності скористуємося результатами польових досліджень (11). При цьому глибину обробітку завдамо агровимогами. Раціональне значення кута загострення б знаходиться у відповідності з рівнянням (2), в яке входять деякі з факторів, що оптимізуються. Тому значення кута б спочатку завдається у першому наближенні, а потім перераховується методом послідовних приближень. Теоретичне значення швидкості обробітку V залежить від можливостей тягового засобу:

, (13)

де NТ - номінальна тягова потужність трактора.

Для виключення можливості забивання та згуження ґрунту між стовбами необхідно, щоб мінімальна відстань між ними була достатньо великою. Тому до системи (12) додано умову: Lmin > 5·t.

Для отримання параметрів робочого органу з урахуванням усіх вищезазначених умов нами розроблено комп'ютерну програму, в яку додатково включено розрахунок сталої роботи глибокорозпушувача.

Таблиця 2 - Визначення раціональних параметрів смугового глибокорозпушувача

Параметр	Значення
Вхідні дані
Тип ґрунту	Чорнозем звичайний
Глибина обробітку h, м	0,35
Використаний трактор	Т-150К
Коефіцієнт зчеплення ґрунту C, кПа	75
Щільність ґрунту с, кг/м3	1300
Кут зовнішнього тертя ц1, є	22
Кут внутрішнього тертя ц2, є	30
Кількість оброблюваних смуг	4
Знайдені раціональні параметри робочого органу
Міжстоєчна відстань L, м	0,3
Товщина стовб t, м	0,016
Кут загострення стовб б, є	24
Кут нахилу стовб в поперечному напрямку в, є	4
Кут нахилу стовб у повздовжній площині г, є	30
Швидкість обробітку V, м/с	2,38
Відстань між навіскою глибокорозпушувача та його опорним колесом lк, м	0,4
Значення функцій раціоналізації
Приріст пористості еv	0,25
Тяговий опір, який створюється одним робочим органом P,Н	8372

За результатами проведених досліджень розроблено комплект конструкторської документації на виготовлення робочих органів смугового глибокорозпушувача “Смугар”, який передано підприємству-виробнику - ДП “Машинобудівник” ХК “Луганськтепловоз”. Виготовлено два дослідних зразка глибокорозпушувачів , які пройшли виробничу апробацію на ДП “Навчально-дослідне господарство ЛНАУ” і агрофірмі “Лан” Сватівського району Луганської області. Використовуючи дані, які були отримані при проведенні виробничих випробувань, розраховано економічний ефект від використання машини (таблиця 3). За базу для порівняння прийнято чизельний плуг ПЧ-2.5, як аналог, виконуючий глибокий безполичний обробіток, та лемішний плуг ПЛН-5-35, як найбільш поширене знаряддя для основного обробітку ґрунту. Ці машини агрегатуються з трактором Т-150К, який при роботі з ними має номінальну тягову потужність.

Таблиця 3 - Показники економічної ефективності

Показники	Варіант
	Т-150 + ПЧ-2.5	Т-150К + ПЛН-5-35	Т-150К+ ПГР-4
Ширина захвату агрегату, м	2,50	1,75	2,80
Продуктивність, га/год	1,7	1,49	2,04
Балансова вартість, грн
трактора	110000	110000	110000
глибокорозпушувача	10090	5736	10000
Витрати палива, кг/га	16,98	19,40	14,15
Урожайність, ц/га	17,1	16,20	19,70
Приведені витрати на одиницю виробки, грн/га	61,66	66,56	51,33

За рахунок підвищення продуктивності економічний ефект від використання об'ємного смугового розпушувача по відношенню до лемішного плугу ПЛН-5-35 складає 9,3 тис. грн/рік, а до чизельного плугу ПЧ-2.5 - 6,3тис. грн/рік. З урахуванням прибавки врожаю економічний ефект по відношенню до відвального обробітку досяг 236080 грн/рік (363 грн/га), а до чизельного - 177868 грн/рік (349 грн/га).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Порівняльний аналіз розпушувачів показав, що найбільш прийнятним для проведення глибокого смугового обробітку є V-подібний робочий орган з розімкненим контуром, який здійснює об'ємне розпушення ґрунту.

2. При розпушенні чорнозему звичайного для забезпечення обробітку тільки в межах заданої смуги необхідно, щоб кут загострення стовб складав 20…25є (рівняння 2).

3. В результаті аналізу розробленої імітаційної моделі процесу розпушення ґрунту похилими стовбами встановлено:

- зміна параметрів робочого органу в бік покращення якості обробітку призводить до підвищення енергоємності процесу (рівняння 3...6);

- при обробітку ґрунту на глибину 0,2...0,4м якість розпушення не змінюється (рівняння 6);

- основними факторами, що визначають енергоємність і якість процесу розпушення ґрунту є товщина стовб t і кут їх нахилу в у поперечній площині (рівняння 3...6).

4. На підставі лабораторних досліджень встановлено, що оптимальний з позиції енергоємності кут нахилу в стовб у поперечній площині змінюється в межах від 8є до 14є та залежить від відстані L між стовбами, їх товщини t і не залежить від стану ґрунту (рівняння 9).

5. На підставі розробленої методики проектування робочих органів для смугового обробітку ґрунту визначено, що для забезпечення потрібної якості обробітку на глибину 0,35м з мінімальною енергоємністю та швидкістю V=9 км/ч робочий орган повинен мати наступні параметри: відстань між стовбами L=0,3 м, товщину стовб t=0,016 м, кут їх загострення =24є, кут нахилу у поперечній площині =4є, кут нахилу у поздовжньо-вертикальній площини =30є. Для сталості ходу опорне колесо має бути розташованим на відстані 0,4 м від точки підвісу знаряддя.

6. На підставі проведених досліджень розроблено смуговий розпушувач, новизна запропонованих технічних рішень якого захищена деклараційними патентами на корисну модель №3102 (Україна) МКІ А 01 В 79/00, А 01 В 13/16 та №7245 (Україна) МКІ А 01 В 13/16.

7. При впроваджені смугового розпушувача ПГР-4 у виробництво річний економічний ефект по відношенню до широко розповсюдженого плуга ПЛН-5-35 склав 9,3 тис. грн/рік, а до чизельного плуга ПЧ-2.5 - 6,3тис. грн/рік. З урахуванням прибавки врожаю річний економічний ефект підвищується до 223 тис. грн/рік (365 грн/га) та 165 тис. грн/рік (324 грн/га).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Овчаренко А. А. Некоторые аспекты проектирования рабочего органа для полосной обработки почвы // Зб. наук. пр. - Луганськ: ЛНАУ. - 2000. -№6(17). - С.102-105.

2. Овчаренко А. А. Обжатие почвы при объемном рыхлении // Зб. наук. пр. - Луганськ: ЛНАУ. - 2001. -№10(22). - С.141-147.

3. Овчаренко А.А. Создание компьютерной модели процесса объемного рыхления почвы при помощи программного комплекса ANSYS // Зб. наук. пр. - Луганськ: ЛНАУ. - 2003. -№31(43). - С.153-159.

4. Овчаренко А. А., Овчаренко А. С. Технические, технологические и экономические особенности применения полосного глубокорыхлителя ПГР-4 // Зб. наук. пр. - Луганськ: ЛНАУ. - 2004. -№42(54). - С.114-121. Здобувачем виконаний економічний аналіз ефективності використання розробленого глибокорозпушувача ПГР-4, зроблено висновки, підготовлена додруку.

5. Деклараційний патент на корисну модель 3102 Україна, МКІ А 01 В 79/00, А 01 В 13/16. Спосіб смугового обробітку ґрунту і пристрій для його здійснення / А.С.Овчаренко, А.А.Овчаренко. - № 2004010550; Заявлено 26.01.2004; Опубл. 15.10.2004, Бюл. № 10. - 2с.

6. Деклараційний патент на корисну модель 7245 Україна, МКІ А 01 В 13/16. Пристрій для смугового обробітку ґрунту/ А.С.Овчаренко, А.А.Овчаренко. - № 20041109145; Заявлено 08.11.2004; Опубл. 15.06.2005, Бюл. № 6. - 3с.

7. Овчаренко А.А. Определение тягового сопротивления рабочего органа объемного полосного глубокорыхлителя // Зб. наук. пр. - Луганськ: ЛНАУ. - 2005. -№49(72). - С.180-185.

8. Овчаренко А.А. Имитационное моделирование процесса объемного рыхления почвы наклонными стойками // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія - Вип. 26. - Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - С.101-109.

9. Овчаренко А.А. Имитационная модель процесса обработки почвы. // Вісник Хмельницького національного університету. - Ч.1, Т.2. - Хмельницьке: ХНУ. - 2005. - С.41-46.

АНОТАЦІЯ

Овчаренко О.А. Обґрунтування параметрів робочого органу глибокорозпушувача для об'ємного смугового обробітку ґрунту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Луганський національний аграрний університет. Луганськ, 2005.

Захищається дисертація, яка присвячена дослідженням процесу об'ємного смугового розпушення ґрунту та пристрою для його здійснення.

В роботі запропоновані експериментально обґрунтована імітаційна модель процесу розпушення ґрунту похилими стовбами та отримані в результаті моделювання математичні моделі, які описують енергетичну та якісну сторони цього процесу; методика проектування смугового глибокорозпушувача, його основні параметри та режими роботи; результати досліджень втілені у нове ґрунтообробне знаряддя - смуговий глибокорозпушувач СГР-4 “Смугар”, який впроваджено у виробництво.

Ключові слова: ґрунт, смуговий обробіток, безполичний обробіток, об'ємне розпушення, глибокорозпушувач, імітаційна модель, метод кінцевих елементів.

Овчаренко А.А. Обоснование параметров рабочего органа глубокорыхлителя для объемной полосной обработки почвы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - “машины и средства механизации сельскохозяйственного производства”. - Луганский национальный аграрный университет. Луганск, 2005.

Диссертация посвящена исследованию процесса полосной обработки почвы и обоснованию параметров рабочего органа для ее осуществления, обеспечивающих требуемое качество рыхления при минимальных энергозатратах.

При полосной обработке почвы к рабочему органу выдвигаются следующие требования: безотвальность, высокая степень рыхления, форма поперечного сечения обрабатываемой полосы должна приближаться к прямоугольной, возможность обработки на глубину до 0,35 м. Проведя сравнительный анализ существующих рабочих органов для рыхления почвы, был сделан вывод о перспективности использования при полосной обработки объемного рыхлителя с разомкнутым контуром.

Максимальная полнота обработки достигается при рыхлении только межстоечного пространства. Установлено, что направление развития боковой плоскости скалывания пласта в наибольшей степени зависит от угла заточки стоек. Представив рабочую поверхность стойки как трехгранный клин, получено уравнение, определяющее значение этого угла, при котором боковая плоскость скола совпадает с плоскостью перемещения режущей кромки стойки, при этом достигается рыхление только межстоечного пространства.

Разработана имитационная модель процесса рыхления почвы наклонными стойками с использованием метода конечных элементов, в которой почва принята как сплошная упруго-идеальнопластическая среда. Эта модель позволяет непрерывно отслеживать в процессе работы полную картину напряженно-деформированного состояния рабочих органов и обрабатываемого почвенного пласта. По результатам проведенного имитационного моделирования составлены математические модели комплексного влияния параметров рабочего органа на энергоемкость и качество объемного рыхления почвы. Критерием энергоемкости является реакция почвы на стойку, качества - прирост пористости.

Результаты теоретических исследований подтверждены лабораторными и полевыми опытами. Кроме того, в ходе полевых экспериментов получено однородное уравнение тягового сопротивления. Разработана методика проектирования объемного полосного глубокорыхлителя, на основе которой составлена компьютерная программа и комплект конструкторской документации на изготовление глубокорыхлителя ПГР-4 “Смугарь”. Разработанная документация передана предприятию изготовителю - ДП “Машиностроитель” ХК “Лугансктепловоз”.

Производственные испытания нового орудия, проведенные на Сельскохозяйственной опытной станции Луганского НАУ и агрофирме “Лан” Сватовского района Луганской области, показали технологическую надежность работы полосного глубокорыхлителя. За счет повышения производительности экономический эффект от его использования по отношению к плугу ПЛН-5-35 - составляет 9,3 тыс. грн/год, по отношению к чизельному плугу ПЧ-2.5 - 6,3тыс. грн/год. С учетом прибавки урожая годовой экономический эффект составляет 223 тыс. грн/год (365грн/га) по отношению к отвальной обработке и 165 тыс. грн/год (324грн/га) по отношению к чизельной обработке.

Ключевые слова: почва, полосная обработка, безотвальная обработка, объемное рыхление, глубокорыхлитель, имитационная модель, метод конечных элементов.

Ovcharenko O.А. Grounds of parameters of an end-effector deep ripper for volumetric strip tillage. - Manuscript.

Dissertation for the technical science candidate degree in speciality 05.05.11 - devices and machines of mechanization for farm production. - Lugansk National Agrarian University. Lugansk, 2005.

The thesis is dedicated to research of process of strip processing of soil and grounds of parameters of an end-effector for its implementation ensuring demanded quality of breakage at minimum power inputs.

The experimentally reasonable simulation model of process of breakage of soil by inclined racks and mathematical models, obtained as a result of simulation, which one describe the power and qualitative party of process, methods of designing volumetric strip deep ripper, its main specifications and the operational modes are suggested in the thesis. The outcomes of researches are embodied in new soil-cultivating implement - strip deep ripper SDR-4, which is introduction in production.

Key words: soil, strip processing, volumetric rip, deep ripper, simulation model, finite element method.

Підписано до друку 15.11.2005 р. Формат 60х84 1/16.

Папір офс. Гарнітура "Таймс".

Друк офс. Ум. друк. арк. 0,9.Обл. вид. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. №73

Видавництво ЛНАУ

Адреса: 91008, Луганськ-8, Луганський національний аграрний університет, тел. 96-75-84.

Размещено на Allbest.ru