Науково-технологічні основи обґрунтування складу та параметрів комбінованих ґрунтообробних знарядь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Науково-технологічні основи обґрунтування складу та параметрів комбінованих ґрунтообробних знарядь

Сало Василь Михайлович

Тернопіль 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кіровоградському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Бойко Анатолій Іванович, Національний аграрний університет, професор кафедри стандартизації і ремонту машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент УААН, Кушнарьов Артур Сергійович, Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Л. Погорілого, провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Науково-дослідний інститут екобіотехнологій та біотехніки НАУ, директор;

доктор технічних наук, професор Морозов Іван Васильович, Харківський Національний технічний університет сільського господарства імені П. Василенка, професор кафедри сільськогосподарських машин

Захист відбудеться 21.02.2008р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті ім. І. Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56

Автореферат розісланий 18.01.2008р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Попович П.В.

1. Загальна характеристика роботи

земля кліматичний експлуатаційний

Актуальність теми. Процеси основного обробітку ґрунту залишаються не тільки найбільш енергоємними в галузі рослинництва, а й в певній мірі, небезпечними з екологічної точки зору. Одною з головних задач основного обробітку ґрунту є створення сприятливих умов для накопичення поживних речовин і, особливо, вологи. Запорукою успішного протікання даних процесів, за твердженням науковців агрономів і ґрунтознавців є однорідний агрегатний склад ґрунту по всій глибині обробітку. Але досягти цього при застосуванні простих ґрунтообробних знарядь практично не вдається. Так, під час обробітку ґрунту, особливо безвідвальному, максимальні розміри грудок формуються саме на поверхні обробленого поля. Щоб забезпечити однорідний по глибині обробітку агрегатний склад і подрібнити поверхневі крупні грудки доводиться застосовувати додаткові робочі органи. Для виконання даних процесів широко використовуються комбіновані знаряддя, але їх склад, як правило, формується незалежно від ґрунтово-кліматичних умов де вони будуть застосовуватися. В одному випадку, це призводить до формування глибистої поверхні поля, що потребує додаткових проходів по полю ґрунтообробних знарядь та необґрунтованих затрат енергії. В іншому випадку - до перерозпушування ґрунту, руйнування його агротехнічно-цінних агрегатів, переведення їх в пиловидний стан і знову ж до зайвих затрат енергії. Ефективним шляхом вирішення даної задачі може бути диференціювання складу комбінованих знарядь та їх робочих органів на стадії проектування з урахуванням ґрунтово-кліматичних умов використання.

За таких умов можливе забезпечення виконання технологічного процесу згідно з агротехнічними вимогами при мінімальних затратах енергії та мінімальному негативному впливі на ґрунт.

Тому вирішення задач, пов'язаних з розробкою науково-технологічних основ обґрунтування складу комбінованих знарядь, встановлення закономірностей протікання процесів подрібнення ґрунтів, без яких неможливе проведення диференціації їх складу є цілком актуальним і має вагоме народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися в Кіровоградському національному технічному університеті у 1995-2007 рр. відповідно до “Державної програми виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової і переробної промисловості на 1998-2005 рр.” (п. 3.1.5), затвердженої Кабінетом Міністрів України 09.02.1998 року, протокол №5. Дослідження також виконувалися згідно держбюджетним угодам з Міністерством освіти і науки України "Технологічні основи та технічне забезпечення основного безполицевого обробітку ґрунту" № держреєстрації 0100Y003145.

Мета досліджень - підвищення ефективності функціонування комбінованих безполицевих ґрунтообробних знарядь шляхом обґрунтування раціонального набору робочих органів, здатних забезпечувати необхідну підготовку ґрунту згідно агротехнічних вимог з урахуванням ґрунтово-кліматичних умов використання.

Об'єкт досліджень - умови та закономірності протікання процесів подрібнення різних за механічним складом ґрунтів в результаті впливу на них безполицевих робочих органів.

Предмет досліджень -технічні засоби обробітку ґрунту та їх робочі органи.

Задачі досліджень:

- проаналізувати основні способи обробітку ґрунту та встановити перспективи їх використання в умовах інтенсифікації процесів землеробства;

- виявити основні закономірності зміни агрегатного складу різних за фізико-механічними властивостями ґрунтів під дією безполицевих робочих органів в складі комбінованих знарядь залежно від їх експлуатаційних та конструктивних параметрів;

- розробити моделі для визначення аналітичним шляхом рівня якісного показника подрібнення ґрунту безполицевими робочими органами та методику диференціації складу комбінованих ґрунтообробних знарядь;

- обґрунтувати конструктивні параметри робочих органів та схеми їх взаємного раціонального розташування на ярусних ґрунтообробних знаряддях;

- встановити експериментальним шляхом зв'язок між окремими механіко-технологічними та фізико-механічними властивостями ґрунтів;

- провести дослідження по виявленню ефективності функціонування запропонованих робочих органів та комбінованих ґрунтообробних знарядь в умовах експлуатації;

- оцінити техніко-економічну ефективність впровадження ґрунтообробних знарядь з диференційованим складом робочих органів.

Методи досліджень. Дослідження процесів зміни стану ґрунтів під впливом робочих органів базувалися на основних положеннях теорії ймовірностей, аналітичної геометрії та теоретичної механіки. Обґрунтування складу комбінованих ґрунтообробних знарядь та конструктивних параметрів їх робочих органів проведено з застосуванням ПЕОМ, прикладних програм "Mathcad". Дослідження механіко-технологічних властивостей ґрунтів виконувалися з застосуванням загальноприйнятих та розроблених методик. При експериментальних дослідженнях процесів кришення ґрунтів та функціонування робочих органів і комбінованих знарядь застосовувалися як відомі так і нові методи і технічне забезпечення, які дозволяли здійснювати динамометрування, відеозаписи, проводити планування багатофакторних експериментів. Обробку дослідних даних здійснено з застосуванням математичної статистики, зокрема регресійного аналізу.

Науковою новизною досліджень є:

- розроблена модель зміни стану ґрунту, як імовірнісного процесу з урахуванням його фізико-механічних властивостей, конструктивних параметрів робочих органів і експлуатаційних режимів обробітку. Моделювання відкрило можливість отримання закономірностей зміни агрегатного складу в шарі ґрунту, обробленому безполицевими плоскорізними робочими органами;

закономірності впливу додаткових робочих органів різного типу на зміну агрегатного складу ґрунту;

запропоновані методи визначення загального показника подрібнення ґрунту одночасно та послідовно діючими робочими органами в складі комбінованих знарядь та методи диференціації складу знарядь на основі даного показника;

теоретично та експериментально обґрунтовані параметри взаємного розташування основних робочих органів в складі комбінованого знаряддя для пошарового обробітку ґрунту, а також експериментально встановлений їх вплив на якісні та енергетичні показники протікання технологічного процесу;

результати експериментальної оцінки агротехнічної і енергетичної ефективності застосування нових способів обробітку ґрунту та засобів їх реалізації;

визначені залежності зміни механіко-технологічних властивостей (граничного опору агрегатів ґрунту руйнуванню стисненням, відносного показника лінійних пластичних деформацій, та твердості ґрунту) різних за механічним складом ґрунтів від їх фізико-механічних властивостей (щільності та вологості).

Результати проведених досліджень лягли в основу розробки оригінальних технічних рішень при конструюванні комбінованих ґрунтообробних знарядь, які захищені патентами (№ 54602, 34591, 34592, 19027, 8911, 50998, 78354, 77568 та ін.).

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики визначення якісного показника - агрегатного складу ґрунту, що дозволяє проектувати нові комбіновані ґрунтообробні знаряддя з диференційованим, стосовно ґрунтів різного механічного складу, підходом до формування набору відповідних робочих органів. Використання таких комбінованих ґрунтообробних знарядь з безполицевими робочими органами, адаптованих до заданих ґрунтово-кліматичних умов, здатне забезпечити необхідну якість виконання технологічного процесу. Скорочуються також необґрунтовані додаткові затрати енергії при обробітку важких ґрунтів та надмірне, екологічно небезпечне, перерозпушування легких ґрунтів, яке має місце при використанні відомих типових і не адаптованих до умов використання знарядь.

Вихідна науково-технічна документація, яка обумовлює основні конструктивно-технологічні параметри і техніко-економічні показники роботи засобів механізації безвідвального обробітку ґрунту стала основою при розробці комбінованих ґрунторозпушувачів, що випускаються, чи випускалися серійно ВО “Агромаш” (м. Київ), ВАТ “Червона Зірка”, ТОВ “НіАЛ”, ЗАТ "Кіровоградлітмаш" (м. Кіровоград).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці та апробації комплексної методики обґрунтування складу комбінованих ґрунтообробних знарядь адаптованих до ґрунтово-кліматичних умов їх використання, розробці та аналізі математичних моделей зміни стану ґрунту під дією плоскорізних робочих органів, як імовірнісного процесу; визначення і закономірностей зміни агрегатного складу ґрунту під дією різних типів додаткових робочих органів, що працюють в складі комбінованих знарядь; обґрунтуванні раціональних конструктивних параметрів ярусно розташованих основних робочих органів; розробці методу визначення загального показника кришення ґрунту сукупністю одночасно та послідовно діючих робочих органів в складі комбінованих знарядь; розробці окремих оригінальних методик та технічного забезпечення експериментальних досліджень і обробки отриманих результатів; розробці конструкторської документації, виготовленні дослідних зразків і організації впровадження в виробництво сімейства ярусних ґрунторозпушувачів ГРН-3,9, ГРН-2,9, ГРН-1,6, та комбінованих знарядь КВК-3,5, КПУ 4-6 та інших.

Апробація результатів досліджень. Основні положення результатів дисертаційної роботи представлені на міжнародних науково-практичних конференціях: "Проблеми конструювання, виробництва і експлуатації сільськогосподарської техніки" (Кіровоградський національний технічний університет, 1997...2007рр.), "Сучасні проблеми землеробської механіки" (ХДТУСГ, 2003 р.), "Технічний прогрес в АПК" (ХНТУСГ, 2006 р., Національний науковий центр" Інститут механізації та електрифікації сільського господарства", Глеваха, 2006), "Сучасні проблеми землеробської механіки" (Миколаївський державний аграрний університет 2002 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях: "Механізація і енергетика сільського господарства" MOTROL'03, (Люблін-Київ 2003 р.), Prezent si viitor in domeniul mecanizarii si elektrificarii agrikulturii (Chisinau, 2000), "Землеробська механіка на рубежі сторіч" (ТДАТА, Мелітополь, 2001 р.), "Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій", (Львівська філія УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого, смт. Магерів, 2007 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 33-х статтях у фахових виданнях, звітах з НДР, підручнику та патентах на винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків та пропозицій, списку літератури з 210 найменувань та додатків на 78 стор. Дисертація викладена на 278 стор. і включає 25 таблиць та 109 рисунків.

2. Зміст роботи

У першому розділі проведений наліз стану питання раціонального застосування різних способів основного безвідвального обробітку ґрунту, знарядь для їх забезпечення та результатів дослідження процесів, які при цьому відбуваються. Традиційна система основного обробітку ґрунту, яка базується на застосуванні ґрунтообробних знарядь полицевого типу останнім часом втрачає свої позиції і поступається безвідвальним способам обробітку. Однак поширення останніх стримується рядом факторів, серед яких, не завжди задовільне кришення ґрунту, що потребує застосування додаткових ґрунтообробних знарядь і це призводить до відповідних негативних енергетичних та екологічних наслідків. Установлено, що перспективним напрямком вирішення даних проблем може бути використання комбінованих безполицевих знарядь конструктивно адаптованих до ґрунтово-кліматичних умов їх застосування. Ґрунтовий покрив сільськогосподарських угідь України за механічним складом, як найбільш впливовим фактором на процеси їх подрібнення відрізняється великою різноманітністю, тому вирішити задачу по визначенню зміни їх агрегатного складу шляхом застосування тільки даних про стан ґрунтів отриманих експериментально в польових умовах не представляється можливим. Рішення може бути знайдене в отриманні систематизованих даних залежності узагальнених механіко-технологічних показників від їх фізико-механічних властивостей в лабораторних умовах з діапазоном змін адекватним природному.

Диференціація робочих органів і складу ґрунтообробних знарядь не можлива без знань характеристик грантів, процесів які відбуваються в них при взаємодії з різними типами робочих органів, а також введення критерія на основі якого її можна здійснити.

Вагомий внесок у результати досліджень властивостей ґрунтів і особливо їх обробітку належить Горячкіну В.П., Василенку П.М., Желіговському В.А., Погорілому Л.В., Качинському Н.А., Медведєву В.В., Соколовському О.Н., Кушнарьову А.С., Нагорному М.Н., Гукову Я.С., Панченку А.М., Прокопенку Д.Д., Корабельському В.І., Дубровіну В.О., Шевченку І.А., Пащенку В.Ф., Шикулі М.К., Морозову І.В. Bernacki H., Dencker C. та іншим, роботи яких є основою для вирішення сучасних задач землеробської механіки.

Аналіз теоретичних розробок спрямованих на вивчення процесів що протікають в ґрунті свідчить про те, що в більшості випадків розгляд даних процесів здійснювався на основі відповідних теорій міцності, а моделі ґрунтів представлялися як: тверде тіло; суцільне пружне середовище; суцільне, що не стискається сипуче середовище; суцільне середовище здатне деформуватися та суцільне пружно-пластичне середовище.

Але в кожній із розглянутих гіпотез не враховувалося те, що ґрунт в реальних умовах не може бути однорідним середовищем, яке підлягає деформації. Сили зчеплення між окремими елементами різними за механічним складом також відрізняються по величині, що свідчить про те, що ґрунт в початковому стані являє собою суцільне середовище, що деформується, яке складається з окремих елементів в середині яких, між окремими частинками ґрунту діють сили зчеплення більші, ніж в граничних зонах між сусідніми елементами. За таких умов і щільність окремих елементів буде відрізнятися в певнім діапазоні значень, а її середнє значення відповідатиме загальній щільності пласта, що підлягає обробітку. При допущенні такої гіпотези стану ґрунту, як об'єкту механічного обробітку, контакт робочого органу з ґрунтом можна розглядати як стохастичний процес послідовних зіткнень поверхні робочого органа з середовищем здатним деформуватися. При цьому ґрунт представляється елементами, які характеризуються параметрами (щільність, лінійні і об'ємні розміри), зміна яких підлягає певному закону розподілу. Знання даних законів дозволило б більш точно моделювати процес кришення ґрунту математичним шляхом. На цій основі були сформульовані відповідні завдання досліджень.

В другому розділі приведене дослідження математичної моделі процесу основного безвідвального обробітку ґрунту, як фізичної системи, в якій під дією робочих органів відбувається випадковий процес утворення агрегатів. При цьому ступінь подрібнення можна визначати як

,

де Р0 - ймовірність того, що процес не буде відповідати параметру якості.

Ступінь подрібнення виражена в відсотках може характеризувати якість С виконання технологічного процесу

, (1)

Такий процес протікає як в часі (t) так і в заданому горизонті обробітку (у) з дискретним кінцевим числом станів . Стан системи характеризується кількістю агрегатів в них заданої розмірної фракції, а також їх часткою від загальної кількості - ймовірність Рі(t) (і=0, 1, 2, ...n).

В самому загальному вигляді розвиток такого процесу або зміна його станів може відбуватися тільки в напрямку збільшення ступеня подрібнення. Характерною особливістю процесу є те, що за малий проміжок часу система може перейти в довільний стан із довільного попереднього стану. Це може бути представлено у вигляді графу

На практиці достатньо розглядати тільки три стани, а не всі, кількість яких може бути досить великою. Тому задачу по визначенню ймовірності знаходження системи ґрунт в одному з довільних станів можливо і достатньо вирішувати, якщо розглядати тільки три підмножини та за графом, виділивши довільний стан в одну із підмножин.

- максимальні розміри агрегатів заданої фракції

Відповідно до цього графа система диференційних рівнянь Колмогорова переходу із стану в стан представляється наступним чином:

(2)

де µіЈ - інтенсивність переходів із одного стану в інший.

Початковими та нормованою умовами є:

, ,

Рішення системи рівнянь (2), виконане з використанням перетворень Лапласа, дозволило отримати:

,

. (3)

Аналіз рішення рівнянь показує, що початковий і кінцевий стани змінюються в часі монотонно, а проміжний стан спочатку збільшується, а потім зменшується маючи максимум.

Для вирішення задачі визначення типів та кількості робочих органів при комбінованому та пошаровому обробітку ґрунту розглянуто окремий робочий орган як елемент, який змінює величину вхідного параметра, (ймовірності ), за час його дії. Відношення вихідного параметра кожного елемента, або системи, до вхідного, характеризується передаточним коефіцієнтом КПі. При послідовному з'єднані таких елементів (послідовній дії робочих органів), загальний передаточний коефіцієнт КП системи представляється добутком складових, тобто:

(4)

де п - загальна кількість послідовних обробітків (робочих органів).

Розглядаючи стохастичний процес зміни стану ґрунту, під дією робочих органів, як Пуасонівський, встановлено, що характер зміни стану ґрунту має експоненціальну закономірність відповідно до якої поступово в часі чи циклічно зменшується ймовірність або кількість агрегатів, розміри яких не відповідають прийнятому стандарту (умові) якості обробітку.

Якщо ґрунт попередньо не був оброблений (р0пі=1) тоді загальний передаточний коефіцієнт комбінованого агрегату буде:

(5)

де ч -параметр Пуасонівського розподілу подрібнених агрегатів ґрунту,

а ступінь подрібнення ґрунту комбінованим агрегатом дорівнює:

. (6)

Практично ступінь подрібнення ґрунту можна розрахувати, визначивши дослідним шляхом значення ймовірності залишку на ситі агрегатів, розміри яких не відповідають прийнятому стандарту (розмірам отворів сита), або умові для встановлення якості обробітку ґрунту.

Функція щільності і ймовірності розподілу фракцій агрегатів ґрунту по глибині обробітку (у) для Пуасонівського процесу може бути записана у вигляді:

(7)

(8)

З рівняння видно, що ймовірність подрібнення агрегатів зменшується при віддаленні від робочого органа по експоненціональному закону.

Якщо глибину обробітку ґрунту поступово збільшувати, то буде змінюватися характер розподілу агрегатів ґрунту. В такому випадку щільність (інтенсивність) утворення заданої фракції в шарі ґрунту глибиною (y) може бути представлена середнім значенням суми щільностей пошарового подрібнення, тобто

. (9)

Таким чином і середнє значення щільності утворення різних фракцій агрегатів теж буде мати експоненціальну залежність від глибини обробітку.

Для визначення ймовірності утворення довільної фракції агрегатів ґрунту розглянуто функцію щільності розподілу їх розмірів а з Пуасонівським просторовим розподілом розташування центрів агрегатів в об'ємі ґрунту:

, (10)

де а -усереднене значення розмірів агрегатів ґрунту;

л -щільність утворення подрібнених агрегатів ґрунту.

Після інтегрування (10) в межах від а0 до отримаємо ймовірність утворення фракції з розмірами агрегатів :

, (11)

де а0 - задане максимально допустиме значення розміру агрегату фракції.

На основі логічних міркувань щільність утворення подрібнених агрегатів ґрунту можна представити як відношення напруження ур, яке створює робочий орган для їх руйнування до роботи , яку необхідно затратити на виконання процесу, щоб він відповідав вимогам якості.

Робота (енергія) руйнування ґрунту в об'ємі за час при взаємодії з робочим органом з урахуванням гіпотези Кірпічова-Кіка являє собою суму пружної і пластичної енергій деформацій, рівняння балансу енергії яких при відповідних напруженнях , , та швидкості можна записати як

.

Роздільним інтегруванням при умові , та отримаємо:

;

,

де - кінетичний коефіцієнт поглинання енергії 1/с;

- коефіцієнт пропорційності, що враховує об'ємні пластичні деформації ґрунту.

При і отримаємо:

.

При граничних умовах , , і ,

Коли , маємо:

.

Напруження на поверхні робочого органу при граничному напруженні руйнування та відносному показникові лінійних пластичних деформацій ґрунту () буде:

. (12)

де - довжина скиби сколювання;

кут сколювання ґрунту.

бк - кут кришення плоскорізного робочого органу;

ц1, ц2 - кути зовнішнього та внутрішнього тертя ґрунту.

Тоді напруження та робота руйнування ґрунту з урахуванням (12) дорівнює:

; (13)

(14)

Якщо прийняти довжину скиби сколювання ґрунту рівну її ширині, з урахуванням ступеня деформації її об'єм, згідно до емпіричної залежності, буде:

,

де - величина початкової пружної деформації;

h0 - глибина обробітку ґрунту.

Після підстановки роботи руйнування (14) і напруження у (13), які визначають щільність л в рівняння (11) при умові, що показник визначається рівнянням

,

Відповідно якість кришення ґрунту плоскорізним робочим органом згідно (1) дорівнює

. (15)

Вплив параметрів робочого органу, властивостей ґрунту і режимів

1 - ,(, , ); 2 - , (, , ); 3 - , (, ,); 4- , ( , , ).

Найбільш характерною є залежність (С) від глибини обробітку ґрунту (h) (крива 1). Екстремум даної функції спостерігається при h=9…11 см, що свідчить про наявність характерного значення h, при якому можна досягти максимального кришення ґрунту плоскорізним робочим органом.

Обґрунтування складу комбінованого ґрунтообробного знаряддя для забезпечення раціональних показників його роботи в різних ґрунтово-кліматичних зонах можливе за умов наявності інформації про показники подрібнення ґрунту не тільки основними робочими органами, а й додатковими. Без них неможливо забезпечити передбачений агровимогами однорідний, дрібногрудкуватий агрегатний склад по всій глибині обробітку, що необхідний для сприятливих умов накопичення вологи та поживних речовин. При безвідвальному, особливо плоскорізному, обробітку максимальні розміри глиб формуються переважно на поверхні обробленого поля.

Одним із шляхів вирішення задачі подрібнення агрегатів поверхневого шару може бути підбір раціональних конструктивних, технологічних та експлуатаційних параметрів відповідних типів робочих органів за результатами теоретичного аналізу. При цьому важливим критерієм достовірності результатів є можливість застосування єдиної введеної оцінки показника якості кришення С.

Для додаткових робочих органів при подрібненні поверхневих шарів ґрунту показник якості наближено може бути визначений відношенням площі, в якій відбувається руйнування окремих агрегатів ґрунту з забезпеченням заданих норм Sр до загальної площі, що обробляється S0.

. (16)

Для кожного з додаткових робочих органів і умов руйнування ґрунту побудовані відповідні рівняння, що враховують дію сил і деформації агрегатів ґрунту. Це дозволило встановити зони руйнування ґрунту під дією робочих органів, а значить і площу, на якій агрегати ґрунту розпушуються і відповідають нормам якості на подрібнення. Рішення отриманих рівнянь чисельними методами на базі програмного забезпечення Mathcad дало можливість побудувати відповідні графічні залежності зміни показника якості (С) від конструктивних параметрів робочих органів, експлуатаційних умов і механіко-технологічних властивостей ґрунтів. Так, для різних за конструкцією зубових борін, що відносяться до робочих органів пасивного типу, зміна якісного показника визначається за формулою:

, (17)

де - ширина смуги подрібнення агрегатів ґрунту є розв'язком рівняння (18), вирішеним числовим методом з використанням названого програмного забезпечення.

, (18)

;

m - маса окремого агрегату ґрунту; kТ - коефіцієнт, що характеризує механіко-технологічні властивості ґрунтів; R - усереднений радіус агрегатів заданої розмірної фракції; f - коефіцієнт тертя; с0 - щільність ґрунту; в0 - кут нахилу зубів борони до поверхні поля.

Дослідженнями встановлено, що руйнування агрегатів ґрунту на поверхні поля бороною з прямими зубами відбувається в результаті удару і подальшого тиску з боку зубів на грудки в вертикальній площині, а при роботі борони з похилими зубами в результаті удару та стискання грудок як в вертикальному так і горизонтальному напрямку (рис 6). За таких умов по вагомості впливу на ймовірність руйнування грудок на перший план виходить граничний опір ґрунту руйнуванню стисненням (у). Так, при роботі звичайної зубової борони при решті рівних вихідних умов, руйнування грудок можливе тільки в діапазоні зміни (у) від 0 до 4х105 н/м2, що може мати місце при обробітку піщаних, супіщаних, легко- та середньосуглинкових ґрунтів.

Борони ж з похилими зубами, за умови достатньої їх маси, здатні забезпечувати відповідну ймовірність руйнування грудок по всій величині можливого діапазону зміни у від 0 до 21,5х105 н/м2, що свідчить про можливість використання даних борін і на самих важких ґрунтах, які за характеристикою по механічному складу відносяться до важкої глини.

Для борони з похилими зубами руйнування грудок, а отже і значення показника якості в меншій мірі залежить від робочої швидкості, так як переважаючим фактором руйнування грудок в даному випадку є їх стиснення як у вертикальній, так і в горизонтальній площині.

Основним конструктивним впливовим фактором на якість обробітку є відстань L між слідами зубів в напрямку руху. Є очевидним, що зі збільшенням даної відстані ймовірність руйнування грудок знижується. Характер залежності С від L для різних типів борін схожий, але фактичне значення С для борони з похилими зубами на 15ч20% більше.

Як видно з отриманих даних, другим конструктивним параметром, що впливає на якість обробітку, але характерним тільки для борони з похилими зубами, є кут в0 нахилу зубів. Графік має екстремум, що припадає на значення кута в0?35ч400. Максимально можливе підвищення значення якісного показника С за рахунок зміни кута в0 становить близько 15%.

Практично лінійною є залежність ймовірності кришення ґрунту від усередненого радіусу грудки заданого агротехнічними вимогами. При значенні R=25 мм звичайна борона забезпечує значення якісного показника близьке до С=55 %, а для борони з похилими зубами понад С=70%. Таким чином, борона з похилими зубами є більш ефективною і адаптованою до роботи в різних ґрунтових умовах і на різних експлуатаційних режимах при аналогічних конструктивних параметрах та агротехнічних вимогах.

Додатковий обробіток ґрунту може також виконуватися робочими органами дискового типу. Конструктивно вони бувають кільчасті, кільчасто-зубчасті, кільчасто-шпорові, дискові та інші. Найбільш складну форму поверхні взаємодії з ґрунтом має диск кільчасто-шпорового котка, для якого і проведені дослідження. Виявлена площа зони ефективного подрібнення ґрунту і її відношення до загальної площі обробітку. На підставі цього визначений показник якості обробітку ґрунту:

, (19)

де х- ширина зони подрібнення окремих агрегатів ґрунту; d - товщина диска; l- відстань між осями трапецієдальних виступів; b- половина товщини кінця трапецієдального виступу; Sтр - площа трапецієдального виступу; (о)- функція, яка визначає зону кришення окремих агрегатів ґрунту залежно від взаємного положення виступів на дисках; L1 - відстань між дисками.

В результаті аналізу отриманого рівняння виявлена незначна залежність показника обробітку ґрунту С як від робочої швидкості агрегату, так і від фізико-механічних властивостей ґрунтів.

Безумовно, збільшення відстані L1 між дисками по ширині захвату та відстані між шпорами l призводить до зниження ефективності кришення ґрунту, але при наявності достатньої маси котків даного типу вони цілком ефективно можуть працювати в широкому діапазоні робочих швидкостей і станів ґрунтів. Голчасті котки надають зоні кришення ґрунту форму овалу. З урахуванням цього показник якості кришення ґрунту дорівнює:

, (20)

де r- радіус голки; l1, l2 - відстані між голками;

уМ - координата центру грудки.

Суттєвою особливістю роботи голчастих котків, як видно з представлених залежностей є те, що при достатній масі вони можуть бути ефективними для додаткового подрібнення ґрунту за умови високої щільності розміщення кінців голок. Позитивною стороною використання представленої конструкції є незначна залежність ефективності його роботи від стану ґрунтів та швидкісних показників виконання технологічного процесу.

Різновидом голчастого котка є котки з перемичками. По аналогії з попереднім для них та рубчастих котків визначаються площа подрібнення агрегатів ґрунту і показники виконання технологічного процесу.

Проведений теоретичний аналіз оцінки ефективності роботи найбільш поширених типів робочих органів для додаткового поверхневого обробітку ґрунту відкриває можливість визначення раціональних значень їх конструктивних параметрів для забезпечення ефективної роботи в складі певного комбінованого знаряддя з урахуванням ґрунтово-кліматичних умовах експлуатації.

Загальний якісний показник подрібнення ґрунту комбінованим знаряддям, в складі якого першими контактують з ґрунтом, як суцільним пружно-пластичним середовищем, ярусно розташовані робочі органи, а потім на уже частково розпушений ґрунт послідовно діють інші додаткові робочі органи, пропонується визначати за виразом:

, (21)

де ,- ймовірності того, що після проходу всіх основних ярусно розташованих та додаткових робочих органів ґрунт буде подрібнений на агрегати, розміри яких не перевищують передбачених агротехнічними вимогами;

n - загальна кількість послідовно діючих робочих органів.

Ймовірність отримання необхідного складу ґрунту після основного ярусного обробітку визначається залежністю

, (22)

де - глибини обробітку ґрунту робочими органами різних ярусів;

hзаг - загальна глибина обробітку ґрунту.

Для зручності розрахунку загального показника якості подрібнення ґрунту комбінованими ґрунтообробними знаряддями, проведення диференціації їх складу стосовно до ґрунтово-кліматичних умов використання, а також обґрунтування раціональних конструктивних параметрів окремих робочих органів розроблена спеціальна програма для реалізації на ЕОМ. Алгоритм розрахунку передбачає використання фіксованих, попередньо обґрунтованих, значень глибини ходу робочих органів другого і третього ярусу h2=h3=10 см, а також враховує зміну властивостей ґрунту, представлених відносним показником лінійних пластичних деформацій (н), по глибині обробітку.

Кінцевий результат розрахунків представляється матрицею (3х6), в якій передбачається розміщення інформації про значення якісного показника С в трьох варіантах ярусного розташування плоскорізних робочих органів та шести варіантів можливого використання додаткових робочих органів різних типів.

Для обґрунтування конструктивних параметрів основних плоскорізних робочих органів запропонований вираз, який з уточненнями за результатами експериментальних досліджень має вигляд:

, (23)

де k - коефіцієнт що характеризує ступінь впливу твердості ґрунту Т на дальність польоту скиби ґрунту; Д - коефіцієнт, який враховує вплив зв'язків між окремими елементами скиби ґрунту під час її підіймання та падіння; - робоча швидкість знаряддя; - кут кришення робочого органу; - ширина крила плоскорізного робочого органу.

У третьому розділі представлена програма та методики лабораторних та польових досліджень механіко-технологічних властивостей ґрунтів (твердості Т, відносного показника лінійних пластичних деформацій н, граничного опору ґрунту руйнуванню стисненням у), які дозволяють найбільш точно описати процеси, що відбуваються в ґрунті під дією робочих органів, зміни якісних та енергетичних показників функціонування експериментальних дослідних зразків комбінованих ґрунтообробних знарядь.

Основна задача досліджень полягала в перевірці висунутих гіпотез щодо закономірностей протікання процесів подрібнення ґрунтів, вірогідності отриманих математичних моделей та додаткової систематизованої інформації про властивості ґрунтів необхідної для практичного використання даних моделей.

При дослідженні названих властивостей ґрунтів основними впливовими факторами були обрані: - механічний склад ґрунту М; абсолютна вологість ґрунту А; щільність ґрунту с. За механічним складом ґрунти для дослідження були обрані чотирьох типів, які на даний час є найбільш поширеними в Україні і одночасно найбільш складними з точки зору їх обробітку - це суглинок середній і важкий, глина середня і важка. В зразках даних типів ґрунтів, підготовлених для дослідження, вміст фізичної глини М становив відповідно - 36, 55, 74 і 90%. Діапазон зміни вологості ґрунтів знаходився в межах від 1 до 27%. Межі варіювання щільності ґрунту відповідали діапазону їх зміни в реальних виробничих умовах і змінювалися в межах від 1,0 до 1,8 г/см3. Враховуючи те, що забезпечити реєстрацію значень показників механіко-технологічних властивостей при одночасному впливові ряду факторів з досить широким діапазоном зміни їх параметрів є задача практично неможлива для здійснення в реальних природних умовах, то для її вирішення була розроблена методика їх оцінки в лабораторних умовах. Досліди проводилися зі штучно виготовленими зразками ґрунту в вигляді циліндрів діаметром 46 мм і висотою 50 мм для визначення граничного опору ґрунту руйнуванню стисненням і відносного показника лінійних пластичних деформацій та діаметром 90мм і висотою 150 мм для визначення твердості ґрунту.

Зразки формувалися при максимальній вологості ґрунту, яка дозволяла їм утримувати надану циліндричну форму. Для різних типів ґрунтів показники вологості були різними. Необхідна щільність зразка задавалася початковою масою наважки, вологість поступовим підсушуванням до необхідного значення. Потім на динамометричнім пристрої зразки піддавали стисненню до появи перших тріщин. Твердість ґрунту визначалася твердоміром Ревякіна. Обробка отриманих результатів здійснювалася за загальноприйнятими методиками.

При дослідженні якісних та енергетичних показників процесів, які відбуваються в ґрунті під дією та залежно від взаємного розташування робочих органів реєструвалися: тяговий опір важких культиваторних лап в різних варіантах розташування їх на гряділі при одно- та двохярусній схемі; агрегатний склад обробленого ґрунту і характер його зміни по глибині та залежно від загальної глибини обробітку; швидкість руху агрегату; твердість, вологість і щільність ґрунту. Отримання найбільш достовірних даних про протікання відповідного технологічного процесу можливе при

реєстрації даної інформації в аналоговому вигляді. Тому для реєстрації тягового опору ґрунтообробних робочих органів та швидкості переміщення агрегату по полю був розроблений спеціальний пристрій, який працює за принципом пружинного тягоміру, а особливістю конструкції є те, що інформація про зміну величини тягового опору та швидкість переміщення записується під час роботи на звичайний діаграмний папір

Фактичне значення величини тягового опору визначалося по середньому значенню ординати відхилення кривої 1 від нульової лінії 3 з урахуванням масштабного коефіцієнта отриманого при таруванні пристрою.

Визначення реальної швидкості переміщення робочих органів в ґрунті здійснювалося, виходячи з довжини S ділянки лінії 2 між мітками 4, що на поверхні поля відповідає шляхові S, який проходить дослідна установка за один оберт її опорного колеса з урахуванням того, що швидкість переміщення діаграмного паперу постійна. Оцінка агрегатного складу ґрунту проводилася ситовим аналізом. Для обробітку статистичних даних отриманих результатів експериментальних досліджень застосовувалися стандартні методики, викладені в прикладних програмах для ПЕОМ.

Енергетичні показники роботи ґрунтообробних знарядь з ярусним розташуванням плоскорізних робочих органів значною мірою залежать як від конструктивних параметрів робочих органів різних ярусів, так і їх взаємного розташування по напрямку руху агрегату. В свою чергу, даний параметр залежить від "дальності польоту" зрушеної робочим органом скиби ґрунту. Щоб отримати дані для раціонального розташування робочих органів стосовно до ґрунтово-кліматичних умов використання, при проведенні лабораторних досліджень до переліку впливових факторів були внесені: твердість ґрунту Т; кут кришення бк крил робочого органу; швидкість хр переміщення його в ґрунті та глибина обробітку h.

Дослідження проводили з урахуванням методики планування повнофакторного експерименту з п'ятиразовою повторністю для визначення відповідного значення параметру оптимізації. Діапазон штучної зміни твердості ґрунту забезпечувався в межах від 1 до 5 МПа, кута кришення від 22 до 440, глибини обробітку 4ч15 см, робочої швидкості від 1 до 3-х м/с.

Лабораторні дослідження проводилися в ґрунтовому каналі довжиною 15 м. Основним технічним забезпеченням був візок з електромеханічним приводом. До кронштейна, який мав можливість змінювати своє положення по висоті, закріплювався робочий орган, що досліджувався, а посередині рами знаходився механізм з котком для штучного ущільнення ґрунту до заданої твердості.

До нижньої задньої частини робочого органу, основу якого складала важка культиваторна лапа, було закріплено п'ять захищених від прямого попадання ґрунту поліетиленовими трубками, змонтованих на металевій штабі наборів електричних контактних датчиків. Смуги датчиків були рознесені по всій ширині захвату робочого органу з інтервалом 5 см. Це давало змогу отримати бажану інформацію при роботі не простого клина, а реального робочого органу, який має змінні величини параметра бк по ширині захвату і не захищений від впливу стояка на переміщення ґрунтових мас. Датчики представляли собою пружинні пластинки з мідними контактами на кінцях. Кожному датчику відповідав світловий діод, який зафіксувати дану інформацію неможливо, тому даний процес записувався цифровою відеокамерою, а потім, при перегляді зображення з установленим часовим інтервалом між знімками отримували значення "дальності польоту" скиби ґрунту.

Основною задачею польових випробувань дослідних зразків ґрунтообробних знарядь була перевірка вірогідності розробленої методики та відповідних математичних моделей розрахунку загального показника подрібнення ґрунту теоретичним шляхом.

Дослідження проводилися на полях Укр НДІПВТ, Кіровоградському інституті агропромислового виробництва та ряді господарств агропромислового комплексу. Основним показником якості виконання технологічного процесу був показник кришення ґрунту, а енергетичним - тяговий опір. Для отримання даних характеристик використовувався польовий дослідний комплекс.

Збір необхідної інформації проводився з використанням тензометричного динамометра, спеціального пристрою для контролю швидкості, обладнання для перетворення та обробки первинної інформації. Базовим для дослідження був експериментальний ґрунторозпушувач ГРН-3,9

В четвертому розділі наведені окремі результати експериментальних досліджень механіко-технологічних властивостей ґрунтів та процесів зміни їх агрегатного складу під дією плоскорізних робочих органів

При практичній реалізації розроблених математичних моделей для визначення показників подрібнення ґрунтів виникає необхідність мати систематизовані дані про механіко-технологічні властивості ґрунтів та їх залежність від основних фізико - механічних властивостей - вологості А та щільності ґрунтів с. Потреба враховувати одночасний вплив вологості і щільності була підтверджена як візуальними, так і числовими показниками. Кожен тип ґрунтів мав свій особистий характер руйнування.

В результаті проведених лабораторних досліджень отримані регресійні моделі виду:

Т(у,н) = а0 - а1 + а2А + а3 2 - а4 А + а5А2,

де а0 , а1 ,а2 , а3, а4, а5 - коефіцієнти рівняння регресії, а також відповідних графічних інтерпретацій залежностей Т,н,у від А та с для чотирьох основних типів ґрунтів.

Як приклад, приведена інформація для суглинку важкого. Отримані залежності для різних типів ґрунтів мають подібний характер, але суттєво різняться ступенем впливу та фактичними значеннями.

Аналіз процесів кришення ґрунтів, як суцільного пружно-пластичного середовища при різних глибинах обробітку одним плоскорізним робочим органом показав, що співвідношення між ґрунтовими агрегатами різних розмірів має певний характер, який є підставою для визначення числового значення показника якості виконання технологічного процесу та раціонального значення глибини обробітку одним робочим органом.

Дослідження, проведені на полях Укр.НДІПВТ показали, що вміст розмірної фракції 0ч10 мм, відсоткова частка якої є показником агротехнічно цінних агрегатів в обробленім шарі ґрунту, зі збільшенням глибини обробітку спочатку збільшується до глибини 12…13 см, а потім поступово знижується. Аналогічним чином веде себе сумарна фракція розмірних агрегатів від 0 до 50 мм, відсотковий вміст якої в загальнім об'ємі обробленого ґрунту згідно з агротехнічними вимогами є показником якості подрібнення. Екстремум даної кривої припадає на глибину обробітку 9…12 см. Показовим є те, що характер даної експериментальної кривої є близьким до кривої отриманої теоретичним шляхом. Відсотковий же вміст крупних фракцій розмірами >100 мм суттєво збільшується. Проміжні розмірні фракції - 10ч20, 20ч30, 30ч40, 40ч50 мм займають в загальнім об'ємі залежно від глибини обробітку від 4 до 12%. Зі збільшенням глибини обробітку їх вміст знижується.

Отже, можна вважати експериментально підтвердженим, що раціональна глибина обробітку ґрунту одним плоскорізним робочим органом, з точки зору досягнення кращого показника кришення, повинна знаходитись в межах 9...12 см, а обробіток ґрунтів на більші глибини бажано здійснювати декількома ярусно розташованими робочими органами, але при різних станах ґрунту дане значення буде відрізнятися.

Просторовий же розподіл різних за розмірами агрегатів ґрунту по глибині залягання після проходу основного робочого органу комбінованих знарядь визначає необхідну глибину обробітку та ефективність використання тих чи інших типів робочих органів, призваних додатково розпушити уже оброблений шар ґрунту, щоб довести загальний показник подрібнення до передбаченого агротехнічними вимогами значення.

Дослідження розподілу різних за розмірами агрегатів ґрунту по глибині залягання після проходу основного робочого органу на глибину 20см показують, що зі збільшенням глибини залягання відсотковий вміст агротехнічно цінних агрегатів (0-10 мм) суттєво збільшується, вміст проміжних фракцій розмірами від 10 до 50 мм зростає незначно.

По всіх глибинах залягання дрібніших фракцій більше, ніж крупніших. Крупні фракції розмірами 50-100 мм розміщуються ближче до поверхні на глибині до 15 см, а самі крупні, розмірами >100 мм ще на меншій глибині, всього до 10 см.

Результати експериментальних досліджень підтверджують припущення, що з віддаленням від поверхні робочого органу інтенсивність кришення знижується, а отже збільшуються лінійні розміри ґрунтових агрегатів.

Враховуючи те, що ґрунтові агрегати максимальних розмірів формуються в приповерхневих шарах, чи безпосередньо на поверхні обробітку то використання для додаткового розпушування ґрунту робочих органів, які послідовно діють на ґрунт по всій глибині обробітку, з енергетичної точки зору не може бути раціональним. Більш доцільним може бути використання робочих органів, які працюють на глибину 5ч10 см залежно від способу їх впливу на ґрунт - різні типи котків, борін, гребінок.

За результатами лабораторних досліджень, які проводилися з метою перевірки вірогідності та при необхідності уточнення отриманої математичної моделі для визначення основного параметру взаємного розташування робочих органів при ярусній схемі роботи, отримане рівняння регресії, яке характеризує залежність дальності польоту ХП скиби ґрунту, зрушеної плоскорізним робочим органом від твердості ґрунту Т, швидкості переміщення робочого органу в ґрунті х, кута кришення робочого органу бк та глибини переміщення робочого органу в ґрунті h.

ХП = -37,3 - 0,088Т + 0,099бк +3,81h + 7,5х + 0,13Т2 + 0,014Тбк + 0,009Тh +… 0,18Тх - 0,009бк2 - 0,001бкh + 0,12 бкх - 0,02h2 - 0,15hх - 0,125 х2.

Графічна інтерпретація залежностей свідчить про те, що збільшення всіх впливових факторів забезпечує зростання "дальності польоту" підрізаної робочим органом скиби ґрунту, але характер та ступінь впливу відрізняється.

Результати дослідів по визначенню ефективності застосування розроблених комбінованих ґрунтообробних знарядь з варіантами одноярусного та двох'ярусного розташуванням основних робочих органів показують, що криві, які характеризують співвідношення агрегатів ґрунту для різних видів обробітку схожі між собою, але також мають певні особливості. При роботі ґрунторозпушувача з одноярусним і двох'ярусним розташуванням плоскорізних робочих органів спостерігається суттєва перевага в ступені подрібнення ґрунту при двох'ярусному обробіткові.

Агрегатний склад ґрунту, обробленого ґрунторозпушувачем, обладнаним додатково голчастими котками і гребінками, також в середньому виявився дрібнішим. Так, відсотковий вміст грудок розміром до 50 мм в загальному об'ємі обробленого ґрунту, при одноярусній схемі розташування лап, збільшився до 65ч68 %, а при двох'ярусній - майже до 81%. Також суттєво зменшилися максимальні розміри грудок, які зустрічалися.

Порівняльна оцінка різних варіантів обробітку ґрунту з точки зору затрат енергії показала, що при досягненні близьких за значенням якісних показників кришення ґрунту різними наборами робочих органів, які відповідають агротехнічним вимогам, меншою енергоємністю характеризується варіант, в якому використані тільки плоскорізні робочі органи, розміщені в два яруси.

Загальний аналіз результатів проведених досліджень свідчить про те, що двох'ярусне розташування плоскорізних робочих органів в порівнянні з одноярусним здатне підвищити ступінь подрібнення ґрунту на 15ч20%.

У п'ятому розділі наведені практичні рекомендації по формуванню складу і параметрів робочих органів комбінованих ґрунтообробних знарядь, результати польової перевірки їх працездатності, та вірогідності застосування розробленої методики диференціації на основі розрахунку загального показника подрібнення ґрунту сукупно діючими робочими органами вказаних знарядь.

Визначення раціонального набору робочих органів в складі комбінованих ґрунтообробних знарядь стосовно до основних типів ґрунтів здійснювалося за показником подрібнення ґрунту С, числове значення якого було розраховане згідно з рівняннями(15, 17, 19, 20). Для зручності вирішення даної задачі було розроблено програмне забезпечення на базі Маthcad в основу якого покладені математичні вирази для визначення числових значень показників подрібнення ґрунту окремо основними та додатковим робочими органами, а також алгоритм визначення раціонального набору робочих органів в складі комбінованих знарядь для виконання основного безвідвального обробітку ґрунту.

Реалізація поставлених задач здійснювалася при припущенні того, що

глибисті і крупногрудкуваті агрегати ґрунту, що формуються на поверхні поля після проходу основних плоскорізних робочих органів, повинні бути розпушені в результаті проходу одного додаткового робочого органу певного типу. Для цього питомий тиск з боку цих робочих органів на ґрунт має бути більшим за граничний опір ґрунту руйнуванню стисненням.

Раціональним набором робочих органів вважався той, який забезпечує мінімальне, але більше за передбачене агротехнічними вимогами числове значення показника подрібнення ґрунту С.

Розроблені метод і алгоритм, втілені в програмне забезпечення, дозволили сформувати на базі розглянутих робочих органів раціональний склад комбінованих знарядь (табл. 1) для обробітку ґрунтів різного механічного складу, на різну глибину з досягненням необхідного показника подрібнення С при найбільш несприятливих для обробітку фізико-механічних властивостях, коли значення абсолютної вологості знижується до 8%, а щільність ґрунту становить 1,5…1,8 г/см2.

Розрахунок раціональної відстані Lmах між робочими органами по довжині гряділя при ярусній схемі роботи виконувався за виразом (23) уточненим за результатами експериментальних досліджень.

Таблиця 1 Орієнтовний, розрахунковий набір робочих органів в складі ярусного комбінованого ґрунтообробного знаряддя, адаптованого для роботи на заданих типах ґрунтів

Глибина обробітку h, см	Тип ґрунту за механічним складом
	Глина важка	Глина середня	суглинок важкий	суглинок середній
Значення показника подрібнення ґрунту С=80%
9
18
27
Значення показника подрібнення ґрунту С=75%
9
18
27

Прийнявши твердість, як узагальнюючий показник стану різних за механічним складом ґрунтів та скориставшись характерними значеннями Т для гранично можливих умов виконання обробітку на різних типах ґрунтів були розраховані максимальні величини Lmax=ХП (табл. 2) встановлено, що відстань між робочими органами для різних типів ґрунтів повинна знаходиться в межах від 21 до 35 см.

Таблиця 2 Рекомендована орієнтовна максимальна відстань розташування плоскорізних робочих органів по довжині гряділя при роботі на ґрунтах різних типів

...