Размещено на http://www.allbest.ru/

Львівський державний аграрний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

5.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Обґрунтування параметрів борони з гнутоштабовими зубами

Бурдега Василь Юрійович

Львів 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Подільській державній аграрно-технічній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцентБендера Іван Миколайович,Подільська державна аграрно-технічна академія, директор інституту механізації і електрифікації сільського господарства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Гуков Яків Серафимович, Національний науковий центр ”Інститут механізації і електрифікації сільського господарства”, директор. кандидат технічних наук Білокопитов Олександр Володимирович, Таврійська державна агротехнічна академія, доцент кафедри “Сільськогосподарські машини”.

Провідна установа: Національний аграрний університет, кафедра “Сільськогосподарські машини”, Кабінету міністрів України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 7 ” грудня 2004 року о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34 М.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного аграрного університету за адресою 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого 1, головний корпус.

Автореферат розісланий “ 5 ” листопада 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доцент Ковалишин С.Й.

1. Загальна характеристика роботи

гнутоштабовий борона земля

Актуальність теми. Створення високоефективного сільськогосподарського виробництва України можливе за умови широкого впровадження досягнень науково-технічного прогресу, одним із напрямів якого є освоєння зональних систем рільництва. Важливе значення у цьому разі має обробіток ґрунту, оскільки від його якості значною мірою (до 25%) залежить урожайність культур. Це в першу чергу стосується передпосівної підготовки ґрунту, яка забезпечує формування оптимального середовища розвитку і росту рослин.

Для інтенсифікації процесу розпушування та енергозбереження важливим і актуальним є, питання пошуку нових ґрунтообробних робочих органів, машин та знарядь поверхневого обробітку ґрунту. Одним із шляхів, що уможливлює інтенсифікацію процесу розпушення, є вдосконалення дії робочих органів на грунт завдяки використанню фізичних явищ удару, вібрації тощо, що сприяє зменшенню енергозатрат.

Відомо, що опір порушенню зв'язків між ґрунтовими агрегатами залежить від способу їх руйнування. Тимчасовий опір розтягу у 12...20, опір сколюванню в 6...10, а опір згину в 4…8 разів менший від тимчасового опору стиску. Створення об'ємно-напруженого стану в ґрунті є вагомою підставою підвищення ефективності розпушення.

Пошарове розпушування ґрунту з використанням серійних ґрунтообробних робочих органів призводить до збільшення металомісткості ґрунтообробних знарядь, а також до зростання енергоємності. Проведення його традиційними методами не забезпечує високої ефективності та зниження енергозатрат. Тому необхідно здійснювати пошук нових енергоощадних способів обробітку та технічних засобів для їх виконання. У зв'язку з цим розроблення робочого органу, який уможливлює різнонаправлене деформування ґрунтової скиби, є актуальною задачею як у науковому, так і в практичному аспектах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася за комплексним планом наукових досліджень проблемної науково-дослідної лабораторії з обробітку ґрунту Подільської державної аграрно-технічної академії, зокрема його складовою „Розробка енергозаощаджуючих та екологічно безпечних технологій відтворення родючих ґрунтів, підвищення урожайності сільськогосподарських культур та якості продукції для південно-західних частин Лісостепу України” (номер державної реєстрації 0199UO02654).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищити якість розпушування та зменшити енергозатрати в процесі поверхневого обробітку ґрунту завдяки використанню борони з гнутоштабовими зубами, розробленої на основі дослідження явища об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби.

Відповідно до поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

· проаналізувати сучасні технології поверхневого обробітку ґрунту, їх вплив на його фізико-механічні властивості та урожайність сільськогосподарських культур, окреслити напрям поліпшення якості та енергозбереження даного процесу;

· обґрунтувати спосіб подрібнення ґрунтової скиби внаслідок об'ємного різнонаправленого її деформування на основі теоретичного дослідження даного процесу, розробити конструкцію гнутоштабового зуба, з'ясувати залежність між його конструктивними параметрами та головними показниками;

· розробити методику досліджень, виготовити зразки гнутоштабових зубів з різними конструктивними параметрами та експериментально встановити залежність величини зони поширення деформації в ґрунті, якості та енергоємності робочого процесу від властивостей ґрунту, конструктивних параметрів зуба та швидкості його руху;

· уточнити теоретичні основи роботи борони з гнутоштабовими зубами та обґрунтувати її конструктивні параметри;

· виготовити дослідний зразок борони та виконати порівняльні польові випробування, оцінити економічну ефективність використання борін з гнутоштабовими зубами.

Об'єкт досліджень. Багатоступеневий гнутоштабовий зуб, борона із гнутоштабовими зубами, технологічний процес обробітку ґрунту даною бороною.

Предмет дослідження. Спосіб об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби, а також залежність якості поверхневого обробітку ґрунту, енергетичних затрат на виконання відповідного процесу та стійкості роботи борони від конструктивних параметрів гнутоштабового зуба, параметрів борони та технологічних режимів її роботи.

Методи дослідження. Теоретичне обґрунтування форми робочої поверхні, конструктивно-технологічних параметрів багатоступеневого гнутоштабового зуба та борони з гнутоштабовими зубами здійснювалося з використанням математичного моделювання, що базувалося на положеннях теоретичної механіки, а також розробленої теорії процесу об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби. Експериментальні дослідження виконувалися згідно із загальноприйнятими методами проведення польових і лабораторних дослідів та за спеціально розробленими методиками, що передбачали використання теорії планування багатофакторного експерименту за матрицями ортогонального центрально-композиційного плану (ОЦКП). Опрацювання вихідних даних експериментальних досліджень здійснено на ПЕОМ з використанням розроблених і стандартних програм обробки статистичних даних, регресійного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Вперше досліджено процес розпушування ґрунту на основі розкриття явища об'ємної концентрації різнонаправлених напружень у ґрунтовій скибі.

- Вперше розроблено конструкцію гнутоштабового зуба, що забезпечує об'ємне різнонаправлене деформування ґрунтової скиби.

- Вперше обґрунтовані раціональні геометричні параметри гнутоштабового зуба на підставі врахування системних вимог до його функціонування в складі борони.

- Вперше обґрунтовані параметри та експериментально досліджено показники роботи борони з гнутоштабовими зубами.

Новизна отриманих технічних рішень підтверджена двома патентами України на винахід (№ 59198А, № 65697А).

Практичне значення одержаних результатів. На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено інженерний метод проектування та розрахунку борони з гнутоштабовими зубами. Одержані результати дають змогу підвищити ефективність поверхневого обробітку ґрунту боронами з гнутоштабовими зубами. Для підготовки ґрунту до сівби ранніх зернових культур у виробничій фірмі „Гуменецьке” Кам'янець-Подільського району Хмельницької області впроваджено у виробництво експериментальну борону з гнутоштабовими зубами.

Запропонована конструкція борони порівняно із серійними знаряддями дає змогу зменшити на 17 % енергозатрати під час підготовки ґрунту до сівби ранніх зернових. Результати теоретичних та експериментальних досліджень взяті до використання конструкторським бюро ВАТ „Кам'янець-Подільськсільмаш”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, ним виконано аналіз стану питання і запропоновано спосіб поверхневого обробітку ґрунту боронами з гнутоштабовими зубами [17, 18], визначено основні чинники впливу форми грунтообробних робочих органів на якість розпушування і кришіння ґрунту [1, 2], розкрито механізм вирівнювання ґрунту гнутоштабовим робочим органом [4], організовано експеримент та досліджено якісні й енергетичні показники роботи борони з гнутоштабовими зубами [19, 20, 21]. У технічних рішеннях, які захищені патентами України, частина кожного співавтора однакова.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення роботи доповідалися й отримали позитивну оцінку на щорічних звітних конференціях професорсько-викладацького складу Подільської державної аграрно-технічної академії (м. Кам'янець-Подільський, 1994- 2004 рр.), науково-технічній конференції "Технология и механизация возделывания картофеля" Білоруського аграрно-технічного університету (м. Мінськ, 1992 р.), ІІ міжнародній науково-технічній конференції „Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий” (м. Вінниця, 1994 р.), Міжнародній науково-практичній конференції „Селекція, насінництво і технології вирощування польових культур” (м. Кам'янець-Подільський, 1996 р.), XI міжнародній науково-технічній конференції „Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха Київської області, 2003 р.), Міжнародній науково-технічній конференції „MOTROL” 03 (м. Київ, 2003 р.), розширеному засіданні кафедри сільськогосподарських машин Подільської державної аграрно-технічної академії (м. Кам'янець-Подільський, 2004р.), міжкафедральному семінарі факультету механізації сільського господарства Львівського державного аграрного університету (м. Дубляни, 2004 р.).

Публікації. Результати наукових досліджень опубліковані у 21 друкованій праці, у тому числі 5 - у фахових збірниках наукових праць, 2 - патентах України на винаходи, 4 - тезах доповідей на міжнародних науково-технічних, науково-практичних конференцій, 3 - тезах науково-технічних конференцій, 7 - у збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, бібліографічного списку та додатків. Робота викладена на 168 сторінках машинописного тексту, містить 15 таблиць і 64 рисунки. Список використаної літератури нараховує 170 найменувань. Допоміжні матеріали поміщені в 10 додатках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі „Сучасний стан питання і завдання досліджень” подано аналіз існуючих способів та технологій обробітку ґрунту. Встановлено, що у світовій практиці спостерігається тенденція мінімізації його обробітку. Це зумовлює необхідність удосконалення відповідних процесів на підставі поліпшення якості розпушування ґрунту з одночасним скороченням енергетичних затрат на його проведення та пошук ефективних для реалізації цієї мети ґрунтообробних робочих органів, знарядь та машин. Аналіз чинних теоретичних основ обробітку ґрунту показав, що якість його розпушення та енергетичні затрати залежать від геометричної форми робочих органів. Наукова проблема обґрунтування форми ґрунтообробних робочих органів вимагає проведення теоретичних досліджень у напрямі взаємодії ґрунту з робочими органами машин.

Розв'язанню цього питання присвячена велика кількість наукових робіт, зокрема В.П. Горячкіна, Н.Д. Лучинського, В.А. Желіговського, М.Г. Гологурського, А.Н. Гудкова, Г.М. Синєокова, Л.В. Гячева. Істотний та вагомий внесок у розробку проблем механіки обробітку ґрунту за останні 25-30 років вклали відомі вчені П.М. Василенко, І.М. Панов, А.М. Зеленін, А.С. Кушнарьов, Ю.Ф. Новіков, В.І. Корабельський, П.М. Бурченко, В.В. Труфанов, Я.С. Гуков, Л.Ф. Бабіцький, Д.Д. Прокопенко, В.О. Дубровін, І.А. Шевченко, З.В. Ловкіс та інші.

Робоча гіпотеза даного дослідження базується на припущенні, що створення об'ємно-напруженого стану за рахунок різнорівневих різнонаправлених деформацій скиби ґрунту спеціальним робочим органом сприятиме поліпшенню якості розпушування та кришіння ґрунту з одночасним скороченням енергетичних затрат на процес обробітку. Практична реалізація цього процесу можлива за умови послідовного з'єднання двогранних клинів під кутом один до одного і до напряму руху клина за відповідного відношення ширини захвату до глибини обробітку кожного із них.

У другому розділі „Дослідження і теоретичний аналіз процесу взаємодії гнутоштабового органу для об'ємного пошарового розпушування ґрунту” подано результати дослідження процесу об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби. Аналіз його теоретичних передумов дозволив реалізувати принцип пошарового розпушування за рахунок різнонаправлених деформацій скиби ґрунту гнутоштабовим робочим органом, складовими елементами якого виступають двогранні клини, розміщені під певними кутами в просторі та послідовно з'єднані між собою.

Встановлено залежність зони розпушування ґрунту від конструктивних параметрів гнутоштабового зуба. Із врахуванням впливу кутів тертя ґрунту по металу () і по ґрунту ( ) на кут нахилу площини сколювання ґрунту до горизонтальної площини, зону поширення деформації в повздовжньому (S) та поперечному (B) напрямках від дії гнутоштабового зуба можна представити у вигляді:

(1)

, (2)

де - ширина гнутоштабового робочого органу, м; , - відповідно кути нахилу уступу до вертикальної та горизонтальної площин, град.

Дослідивши процес руху частинки ґрунту по похилій площині уступу гнутоштабового зуба та враховавши координати точок 1, 2, 3 (рис. 1), через які вона проходить, отримано у загальному вигляді її рівняння в системі декартових осей OXYZ, незмінно зв'язаних з бороною:

A1X + B1Y + C1Z + D1 = 0. (3)

Рівняння похилої сторони першого уступу гнутоштабового зуба із врахуванням значень А1, В1, С1, D1 запишеться у наступному вигляді:

(4)

де - кут між лінією згину і віссю Х ; - кут нахилу похилої сторони зуба до площини ОХZ.

Враховуючи те, що осі Ox,Oy,Oz системи Oxyz паралельні відповідно до осей OX,OY,OZ системи OXYZ, яка рухається зі швидкістю борони, зв'язок між координатами руху частинки ґрунту по похилій площині гнутоштабового зуба в системах Oxyz і OXYZ можна виразити таким чином:

(5)

Тоді рівняння в'язі, накладеної на площину, якій підпорядкована частинка ґрунту у нашому випадку руху має такий вигляд:

(6)

Рівняння динаміки руху частинки ґрунту по площині уступу гнутоштабового зуба в нерухомій системі координат запишеться:

, (7)

де ,,- відповідно маса, прискорення і вага частинки ґрунту; - нормальна реакція сторони зуба; - сила тертя між поверхнею зуба і частинкою ґрунту.

Перейшовши від векторного до скалярних рівнянь Лагранжа першого роду отримаємо:

Записавши рівняння руху частинки в системі координат , яка незмінно зв'язана з похилою стороною зуба борони виразимо абсолютні координати частинки через відносні за формулами:

(9)

Продиференціювавши співвідношення (9) і підставивши отримані результати в диференціальні рівняння запишемо систему диференціальних рівнянь руху частинки ґрунту в поступально рухомій системі координат , зв'язаній з бороною:

(10)

.

Дана система дозволяє визначати швидкість та прискорення руху частинки ґрунту по робочій поверхні гнутоштабового зуба залежно від його конструктивних параметрів і швидкості руху борони.

Умову рівноваги борони в аналітичній формі можна представити із врахуванням необхідної і достатньої умови рівності нулю таких рівнянь:

(11)

.

На стабільність ходу і стійкість борони за глибиною впливає вертикальна заглиблююча сила:

= + , (12)

де,- кут входження уступу гнутоштабового зуба в грунт, град.

Сила тяги залежить від конструктивних параметрів зуба, а саме від ширини в, кута уступу і кута входження уступу в грунт в. Тяговий опір борони можна представити виразом:

, (13)

де: - конструктивна ширина зуба, м; - кут між уступами зуба. град; m- маса борони, кг; n - кількість уступів, що контактують з ґрунтом, штук; - коефіцієнт, ; к - питомий коефіцієнт опору ґрунту, н/м2; V- швидкість руху, м/с.

Вертикальна заглиблююча сила з врахуванням виразу (13) виразиться:

= + [] , (14)

де: c- кількість зубів борони, штук.

Із виразу (14) видно, що на вертикальну заглиблюючу силу борони для пошарового обробітку ґрунту впливають конструктивні параметри зуба. Її значення зростає за умови зменшення кута входження уступу в грунт в, ширини зуба в та кількості уступів n, що контактують із ґрунтом. На відміну від серійних у борони з гнутоштабовими зубами із зростанням швидкості руху вертикальна заглиблююча сила збільшується.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму і схему реалізації досліджень, варіанти досліджуваних гнутоштабових зубів та описано обладнання, дослідні установки, умови й методики проведення експериментів.

Програмою досліджень передбачалось визначення: зони поширення деформації ґрунту та дослідження впливу на її розміри конструктивних параметрів гнутоштабових робочих органів; питомої енергоємності процесу розпушування ґрунту гнутоштабовими зубами; впливу конструктивно-технологічних параметрів гнутоштабових зубів та борін з відповідними зубами на якісні та енергетичні показники роботи під час поверхневого обробітку; економічної та енергетичної ефективності використання борін з гнутоштабовими зубами.

Для проведення експериментів використовували стандартизоване обладнання та установки, розроблені самостійно. Оптимальні значення параметрів величини зони та якості розпушування, тягового опору визначали на основі багатофакторних та серії однофакторних експериментів. Трифакторні експерименти проведено за матрицями ОЦКП. Регульованими вхідними величинами (факторами) були: ширина робочого органу ( b, мм ); кут між уступами робочого органу (, град. ); кут входження уступу в грунт (,град.). Досліджувані фактори змінювалися у межах: 17,5 b42,5; 65115; 12,537,5.

Науково-виробничі випробування проведено у різних ґрунтово-кліматичних умовах: у південно-західній частині Лісостепу на чорноземі дослідного поля Подільської державної аграрно-технічної академії; виробничій фірмі „Гуменецьке” Кам'янець-Подільського району Хмельницької області; на дерново-підзолистих і супіщаних ґрунтах Львівської державної зональної машиновипробувальної станції.

Вони виконані за загальноприйнятими методиками, а отримані результати опрацьовувалися методом дисперсійного аналізу.

У четвертому розділі „Результати експериментальних досліджень і їх аналіз” наведено експериментальні дані вивчення процесу поширення зони деформації в ґрунті та на його поверхні, енергоємності та якості процесу розпушування, кришіння ґрунту, залежності тягового опору від конструктивно-технологічних параметрів і швидкості руху на різних типах ґрунтів. Експериментальні дослідження проводилися з використанням лабораторних, лабораторно-польових установок та експериментальних борін.

Для визначення впливу конструктивних факторів гнутоштабових робочих органів для пошарового обробітку ґрунту (ширина b, кут між уступами та кут входження уступу в ґрунт ) на зону деформації ґрунту було отримано рівняння регресії:

Отримане рівняння досліджено методом двомірних перетинів, для чого один із факторів фіксувався на заданому рівні. Проведено перевірку достовірності регресійних моделей за границями експериментування, комп'ютерним моделюванням визначено оптимальні параметри і можливий їх оптимальний напрям.

Як показали проведені експериментальні дослідження процесу взаємодії гнутоштабових ґрунтообробних робочих органів із ґрунтом, зона поширення деформації та розпушування ґрунту залежить від конструктивних параметрів, зокрема: кута між уступами , кута входження уступу в ґрунт , ширини робочого органу b та глибини його ходу. Експериментальні дослідження підтвердили теоретичні положення та залежності. Максимальне значення зони поширення деформації ґрунту на чорноземі досягається за умови збільшення кута входження уступу в ґрунт та ширини захвату при куті між уступами, що наближається до 90.

За критерій оптимізації енергоємності процесу розпушування ґрунту гнутоштабовими зубами був прийнятий показник затраченої роботи на деформацію об'єму ґрунту. В результаті обробки експериментальних даних отримали рівняння регресії:

Дослідивши рівняння регресії (16), встановили, що мінімальне значення питомої енергоємності процесу розпушування ґрунту Еп досягається за = 98...115 , b = 17,5…20 мм, = 17...21.

Визначення взаємного впливу конструктивних параметрів на якість процесу розпушування та тяговий опір досліджувалося в польових умовах на лабораторно-польовій установці. Отримані експериментальні дані коефіцієнта якості розпушування ґрунту дозволили отримати рівняння регресії (17):

(17)

Аналіз поверхні відгуку та двомірних перетинів рівняння (17) показав, що максимального коефіцієнта якості розпушування ґрунту можна досягти в діапазоні значень конструктивних параметрів гнутоштабового робочого органу: = 80..100, b = 22…40 мм, = 17...34.

Дослідження в польових умовах впливу конструктивних параметрів гнутоштабових робочих органів на тяговий опір дозволили отримати рівняння регресії (18):

(18)

Його аналіз свідчить, що мінімальний тяговий опір знаряддя досягається за максимального кута між уступами та значень >115, що знаходяться за межами зони дослідження і за ширини робочого органу b = 40 мм, яка є близькою до максимальної. За таких умов кут входження уступу в ґрунт у досліджуваному діапазоні практично не впливає на тяговий опір.

З метою визначення оптимальних конструктивних параметрів гнутоштабових робочих органів, які б забезпечували на заданій глибині обробітку якісне розпушування ґрунту з мінімальним тяговим опором, за комплексний показник параметра оптимізації було вибрано відношення коефіцієнта якості розпушування до тягового опору. Залежність цього показника від досліджуваних факторів наведена у рівнянні регресії (19):

(19)

Побудовані при зафіксованих значеннях = 90 , b = 30 мм, = 25 поверхні відгуку і двомірні перетини для критерію оптимізації К та дослідження функції відгуку на максимум свідчать, що максимальний коефіцієнт якості розпушування ґрунту з мінімальним тяговим опором на глибині обробітку 15 см досягається на швидкості руху агрегату V= 9,72 км/год на чорноземі при вологості ґрунту 17,3% в діапазоні ширини захвату робочого органу b 40 мм, при цьому кут входження уступу в ґрунт = 21...29, а кут між уступами знаходиться в межах = 90.

Результати польових досліджень підтвердили теоретичні дослідження щодо впливу конструктивних параметрів гнутоштабових робочих органів на агротехнічні й енергетичні показники роботи, дозволили оптимізувати їх за максимальною розпушувальною здатністю при мінімальному тяговому опорі. Крім цього, на їх підставі вибрано прийнятні конструктивні параметри гнутоштабових зубів для встановлення на зубову борону.

Проведені експериментальні лабораторні та лабораторно-польові дослідження впливу конструктивних параметрів гнутоштабових робочих органів на поширення деформації по поверхні ґрунту, якість розпушування, енергоємність процесу розпушування з врахуванням теоретичних досліджень переміщення частинок ґрунту по їх робочій поверхні, умов стабільності і стійкості руху борони стали підставою для зменшення кількості зубів на бороні з 20 до 12 штук

Проведено агротехнічну й енергетичну оцінки роботи експериментальних борін з гнутоштабовими зубами, що виготовлені зі стальної штаби 5х36 мм з наступними конструктивними параметрами: кут між уступами = 90, кут входження уступу в ґрунт =20, ширина зуба b = 40 мм, висота l=185мм

Оцінка глибини обробітку ґрунту експериментальної борони в порівнянні з серійними показала, що глибина обробітку для неї практично залишалася незмінною в діапазоні швидкості від 1,9 до 4,0 м/с (табл. 2).

Таблиця 1 Оцінка глибини обробітку серійними та експериментальними боронами

Показники	Марка борони	Значення показника
Швидкість руху агрегату V, м/с	БЗТС-1,0 БЗСС-1,0 Експ.	1,9	2,3	2,7	3,3	4,0
Глибина обробітку а, см	БЗТС-1,0	8,21	8,05	7,8	7,35	6,65
	БЗСС-1,0	6,83	6,64	6,23	5,65	5,06
	Експ.	10,35	10,38	10,40	10,42	10,41
Середньоквадратичне відхилення S, см	БЗТС-1,0	1,36	1,54	1,82	2,11	2,25
	БЗСС-1,0	0,98	1,05	1,27	1,51	1,85
	Експ.	0,89	0,87	0,86	0,92	0,96
Похибка досліду, %	БЗТС-1,0	0,14	0,15	0,18	0,21	0,22
	БЗСС-1,0	0,09	0,10	0,13	0,15	0,18
	Експ.	0,089	0,082	0,085	0,092	0,096
Коефіцієнт варіації, %	БЗТС-1,0	16,5	19,1	23,3	28,7	33,8
	БЗСС-1,0	14,3	15,8	20,4	26,7	36,5
	Експ.	8,6	8,4	8,3	8,8	9,2

У серійних борін під час зростання в зазначених межах швидкості глибина обробітку зменшувалася на чорноземі (на 1,56 см у важкої та на 1,84 см у середньої ) за рахунок виштовхувальної сили. Для експериментальної борони глибина обробітку ґрунту складала 10,3 см і була майже на 3…4 см більша за глибину обробітку серійними боронами за їх однакової маси. Стійкість ходу борін з гнутоштабовими зубами, що оцінювалася середнім квадратичним відхиленням у експериментальних борін була в 1,5-2,3 раза вищою, ніж у серійних. Під час зростання швидкості від 1,9 м/с до 4,0 м/с середньоквадратичне відхилення глибини обробітку у серійних борін зросло з 1,36 см до 2,25 см, тоді як в експериментальних його значення не перевищувало 1 см.

Результати польових випробувань борін з гнутоштабовими зубами з різним питомим навантаженням на один зуб показали, що із збільшенням цього показника глибина обробітку на всіх типах ґрунтів зростає (рис. 1).

Рис. 1 Залежність глибини обробітку експериментальних і серійних борін на дерново-підзолистому ґрунті (після оранки) від швидкості руху агрегату

Збільшення питомого навантаження на один зуб в експериментальної борони з 1,8 кг до 2,76 кг призводить до збільшення глибини обробітку відповідно на 1,35...2,6 см на дерново-підзолистому ґрунті, на 2,8...3,5 см на чорноземі та на 0,5...4,6 см на супіщаному ґрунті. За різних питомих навантажень на один зуб експериментальні борони на всіх типах ґрунтів відзначалися стабільністю ходу за глибиною обробітку, яка практично не залежала від швидкості руху. У серійної борони із ростом швидкості з 7,5 км/год до 13,2 км/год спостерігалося зменшення глибини ходу.

Результати дослідження якості обробітку ґрунту показали, що на всіх типах ґрунтів коефіцієнт якості розпушування ґрунту зростав із збільшенням швидкості руху агрегату та зменшенням питомого навантаження на один зуб борони. Його приріст у діапазоні швидкостей 7,5...13,2 км/год складав 16,7...19,0% у борони з питомим навантаженням mз=1,8 кг (n=20 зубів ), 11,8...14,1% у борони з mз=2,16 кг (n=16 зубів) і до 6,3% у борони з mз = 2,76 кг (n = 12 зубів). Найбільшого коефіцієнту якості розпушування ґрунту досягнуто під час обробітку боронами з 20 зубами, що відповідно було 57,9...64,2% на дерново-підзолистому ґрунті після оранки і 52,3...62,4 на чорноземі після оранки.

Коефіцієнт якості кришіння ґрунту також залежить від вище згаданих показників умов роботи борони. Із збільшенням навантаження на один зуб з 1,8 кг до 2,76 кг він у середньому зростає з 47,3...50,1% до 85,5...85,8% на дерново-підзолистому ґрунті. Особливістю роботи зубових борін із гнутоштабовими зубами є той факт, що практично однаковий коефіцієнт якості розпушування і кришіння досягався незалежно від попереднього обробітку ґрунту. Тому їх використання забезпечує необхідну якість обробітку ґрунту після оранки, що виключає додаткові обробітки.

Коефіцієнт якості кришіння експериментальними боронами на дерново-підзолистому ґрунті на 7...25% більший ніж у серійних. На чорноземі цей показник у середньому зростав на 12,7% із збільшенням питомого навантаження на один зуб борони з 1,8 кг до 2,76 кг.

Інтенсивність втрати вологи за 4 доби у верхньому шарі ґрунту в середньому становить 1,77% після обробітку ґрунту експериментальними боронами та 2,25% після його боронування серійними. Це досягається завдяки зменшенню поверхні випаровування внаслідок зниження висоти гребенів до 2,5-3,2 см проти 3,0-4,7 см та покращення вирівняності поверхні поля на 28% порівняно з серійними.

Підвищення швидкості руху агрегату впливає на збільшення тягового опору на всіх типах ґрунтів. В експериментальних борін він виявився меншим, ніж у серійних, на всіх типах ґрунтів. Із зростанням навантаження на один зуб борони за рахунок зменшення їх кількості тяговий опір зменшувався на дерново-підзолистому ґрунті в середньому на 0,350 кН на агрофоні після оранки і на 0,310 кН після культивації. За тих самих умов питомий тяговий опір знизився відповідно на 31 та 34%.

На супіщаному ґрунті тяговий опір борін із 12 зубами і питомим навантаженням на один зуб mз= 2,76 кг зменшився на 0,320 кН порівняно з 20 зубовою бороною і питомим навантаженням на один зуб mз= 1,8 кг та на 0,555 кН порівняно із серійною. Питомий тяговий опір знизився майже на 45% у борони з питомим навантаженням mз= 2,16 кг і на 40% у борін, в яких за рахунок зменшення кількості зубів до 12 mз= 2,16 кг.

На чорноземі зменшення тягового опору експериментальних борін порівняно із серійними середньому складало 0,170...0,435 кН. Питомий опір знизився на 31% у борін із 20 зубами і питомим навантаженням на один зуб mз= 1,8 кг і на 52% у борін із 12 зубами та питомим навантаженням mз= 2,76 кг. Зниження тягового та питомого тягового опору в експериментальних борін досягається за рахунок конструкції гнутоштабового зуба, який змінює характер деформації ґрунту за рахунок об'ємного різнонаправленого деформування, що забезпечує можливість виходу на вільну поверхню ґрунтової скиби після сходження з робочої поверхні кожного його уступу.

У п'ятому розділі „Техніко-економічна ефективність борін з гнутоштабовими зубами” наведено результати перевірки досліджень роботи експериментальної борони у виробничих умовах. Для поліпшення передпосівної підготовки ґрунту під ранні зернові культури, а також зменшення енергетичних витрат розроблено і виготовлено борону з гнутоштабовими зубами. Основні параметри борони: ширина захвату - 2,81 м; тиск на один зуб - 1,8 кг; відстань між суміжними зубами - 50 мм; довжина-2170 мм; ширина-2900 мм; висота-215 мм; маса - 132 кг;маса однієї ланки борони - 36 кг. В агрофірмі „Гуменецьке” Кам'янець-Подільського району Хмельницької області доказано доцільність використання борони з гнутоштабовими зубами для фінішної підготовки ґрунту до сівби ранніх зернових з енергетичної та економічної точок зору.

Використання борони з гнутоштабовими зубами у виробничих умовах забезпечує річний економічний ефект в сумі 519,75 грн. Розрахована енергетична ефективність показує, що використання борін з гнутоштабовими зубами дозволяє зменшити енергетичні затрати на 17%.

Висновки та рекомендації

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення й нове вирішення науково-прикладної задачі, що виявляється у розробці нової конструкції борони з гнутоштабовими зубами, яка дає змогу підвищити ефективність процесу поверхневого обробітку ґрунту завдяки використанню способу об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби. Наявні технології поверхневого обробітку ґрунту є затратними, а тому питання забезпечення якості його обробітку з якомога меншими затратами є актуальним.

2. Аналіз тенденцій розвитку технологій та робочих органів машин для поверхневого обробітку ґрунту дав змогу встановити, що підвищення якості цього процесу досягається завдяки комбінації способів якісного перетворення ґрунту, що реалізується окремими робочими органами. Це зумовлює зростання металомісткості сільськогосподарських машин та енергозатрат на виконання процесу.

3. Запропонований спосіб об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби, який за належної якості розпушування забезпечує зниження енергозатрат, можна реалізувати за допомогою гнутоштабового зуба.

4. Розроблена теорія робочого процесу об'ємного різнонаправленого деформування ґрунтової скиби за допомогою гнутоштабового зуба базується на фундаментальній теорії руйнування скиби ґрунту за допомогою клина і дає змогу встановити причинно-наслідкові зв'язки між конструктивними параметрами гнутоштабового зуба та технологічними й енергетичними показниками робочого процесу [формули (1), (2), (10), (13),(14)].

5. Обґрунтована методика й програма експериментальних досліджень уможливлюють встановлення залежності якісних та енергетичних показників роботи гнутоштабового зуба й створеної на його основі борони від їх конструктивних параметрів і визначення раціональних значень цих параметрів.

6. Порівняння результатів теоретичних та експериментальних досліджень зони поширення деформації в ґрунті, енергоємності процесу, стабільності та стійкості руху борони свідчить, що вони різняться між собою в межах допустимої похибки.

7. Для досягнення максимального розпушування ґрунту з мінімальним тяговим опором експериментально встановлені раціональні параметри гнутоштабового зуба за ширини захвату робочого органу b ? 40 мм: кут входження уступу в ґрунт = 21...29 ; кут між уступами = 88...92.

8. Теоретичне обґрунтування умов стійкості руху борони з гнутоштабовими зубами уможливило встановлення системного впливу параметрів борони на параметри її зубів. Встановлено, що системно відкориговані параметри гнутоштабового зуба є такими - b = 40 мм, = 20, = 90.

9. Порівняльний аналіз показників роботи борін з різною кількістю гнутоштабових зубів, виконаний на основі польових випробувань, дав змогу встановити, що підвищення коефіцієнта якості розпушування ґрунту на 14...24%, коефіцієнта якості кришіння на 8,4...11,6%, а також коефіцієнта вирівняності поля на 28% та зниження питомого тягового опору на 12...27% порівняно із серійними боронами розширює функціональні можливості використання борін з гнутоштабовими зубами для обробітку ґрунту.

10. Збільшення питомого навантаження на один зуб борони, за рахунок зменшення кількості зубів на рамі борони з 20 до 12 забезпечує збільшення глибини ходу борін на 1,8...2,2 см на дерново-підзолистому ґрунті на 2,0…2.3 см на чорноземі і на 3,7… 4,2 см на супіщаному ґрунті. У цьому разі за належної якості розпушування та кришіння ґрунту питомий тяговий опір зменшується на 30…40% на дерново-підзолистому ґрунті, на 26…36% на чорноземі та на 30…45% на супіщаному ґрунті.

11. Впровадження в практику використання борін з гнутоштабовими зубами уможливлює підвищення якості обробітку ґрунту, збільшення продуктивності праці та скорочення енергетичних затрат. Очікуваний річний економічний ефект сягає 519,75 грн. на одну борону.

12. Розроблена та виготовлена конструкція борони дає змогу реалізувати ідею адаптивного поверхневого обробітку ґрунту залежно від стану агрофону поля - борону з гнутоштабовими зубами можна використовувати в складі чинного комплексу машин як замість серійної борони, так і замість культиватора.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Андреев А.А., Бурдега В.Ю. Кармановские колебания рабочих органов почвообрабатывающих устройств и их влияние на качество крошения почвы // Материалы II междунар. науч.-техн. конф. “Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий”. - Винница, 1994.- С.74 (автором розкрито механізм впливу робочого органу змінного поперечного перерізу за його висотою на зону розпушування та якість кришіння ґрунту).

2. Андреев А.А., Бурдега В.Ю. Математическое моделирование процессов активизированного крошения и перемешивания почвы // Вестник Херсонского государственного технического университета. Вып. 2(8). - Херсон: ХГТУ, 2000. - С.13-16 (автором запропоновано математичне моделювання роботи в ґрунті робочих органів змінного поперечного перерізу за його висотою).

3. Бендера І.М., Бурдега В.Ю., Дєвін В.В. Стенд для вивчення технологічних параметрів розпушувачів для пошарового обробітку ґрунту // Аграрна наука - селу. - Чернівці: Митець, 1998.- С.106 (автором описана будова і технологічне призначення стенду).

4. Бендера І.М., Бурдега В.Ю., Ткачук В.С., Андрєєв О.А. Робочий орган для вирівнювання ґрунту // Аграрна наука - селу. - Чернівці: Митець, 1998.- С.103 (автором розкрито механізм вирівнювання ґрунту гнутоштабовим робочим органом).

5. Бурдега В.Ю. Вплив конструктивних параметрів ґрунтообробних робочих органів для пошарового обробітку ґрунту на якість розпушування. // Аграрна наука - селу: - Вип. 9. - Кам'янець-Подільський: ПДАТА, 2001. - С. 442- 444.

6. Бурдега В.Ю. Дослідження і оптимізація стійкості ходу зубових борін для пошарового обробітку ґрунту // Аграрна наука - селу: - Вип. 10. - Кам'янець-Подільський : ПДАТА, 2002. - С. 225-259.

7. Бурдега В.Ю. Обґрунтування форми розпушувача для пошарового обробітку ґрунту // Тези доп. наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу. - Кам'янець-Подільський, 1994. - Том 2 - С.178-179.

8. Бурдега В.Ю. Підвищення ефективності поверхневого обробітку ґрунту шляхом пошарового розпушування // Зб. наук. праць Кам'янець-Подільського сільськогосподарського інституту. - Чернівці: Прут, 1995. - С.180-181.

9. Бурдега В.Ю. Підвищення стійкості ходу зубових борін // Аграрна наука - селу. - Чернівці: Буковина, 1997.- С.117-120.

10. Бурдега В.Ю. Показники роботи борони з гнутоштабовими зубами // Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. - 2002. №6. - С. 162-169.

11. Бурдега В.Ю. Показники якості пошарового розпушування ґрунту удосконаленою зубовою бороною // Механізація сільськогосподарського виробництва: - К.: НАУ, 2003. Том 14. - С. 259-265.

12. Бурдега В.Ю. Рабочий орган для рыхления почвы // Тез. науч.техн. конф. „Технология и механизация возделывания картофеля”. - Минск, - 1992. - С.48.

13. Бурдега В.Ю. Результати дослідження робочих органів для пошарового розпушування ґрунту // Матеріали Міжнар. наук. практ. конф. “Селекція, насінництво і технології вирощування польових культур”. - Чернівці: Буковина, 1996. - С. 237.

14. Бурдега В.Ю. Енергозаощаджуючі борони з гнутоштабовими зубами // Матеріали VII міжнар. наук. практ. конф. „Наука і освіта 2004”. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. Том 68.- С. 27-29.

15. Пат. 59198А UA, МКИ А01В19/02, А01В21/02 Борона для пошарового обробітку ґрунту /В.Ю.Бурдега, І.М. Бендера, М.І. Самокиш, О.В. Сидорчук, А.М. Токар. (UA). -№2021210012; Заявл. 12.12.2002; Опубл. 15.08.2003, Бюл. №8 (автором запропоновані параметри зубів).

16. Пат.65697АUA, МКИ А01В19/02, А01В21/02. Борона-культиватор/ В.Ю.Бурдега, І.М. Бендера, В.І. Дуганець, П.І. Роздорожнюк, О.В. Фурман, А.С. Якименко (UA). -№2021210014; Заявл. 12.12.2002; Опубл. 15.04.2004, Бюл. №4 (автором запропоновано кріплення двох типів робочих органів).

17. Самокиш М.І., Бендера І.М., Бурдега В.Ю. Енергозберігаючий передпосівний обробіток ґрунту // Вчені-аграрники - сільськогосподарському виробництву. - Чернівці: Прут, 1996. - С.15 (автором на основі аналізу запропоновано спосіб обробітку).

18. Самокиш М.І., Бендера І.М., Бурдега В.Ю. Підготовка ґрунту до посіву ранніх зернових знаряддями для пошарового обробітку ґрунту // Матеріали Міжнар. наук. практ. конф. “Селекція, насінництво і технології вирощування польових культур”. - Чернівці: Буковина, - 1996. - С.228 (автором запропоновано використання знарядь для пошарового обробітку).

19. Самокиш М.І., Бендера І.М., Бурдега В.Ю. Покращення якості розпушування ґрунту зубовими боронами // Аграрна наука - селу. - Чернівці: Буковина, 1997.- С.76-78 (автором виконано дослідження якості розпушування грунту боронами).

20. Самокиш М.І., Бендера І.М., Бурдега В.Ю. Результати випробовувань зубової борони для пошарового обробітку ґрунту // Тези доп. наук. техн. конф. професорсько-викладацького складу. - Кам'янець-Подільський, 1994. - Том 2. - С.167 (автором виконано дослідження якості розпушування ґрунту бороною з гнутоштабовими зубами).

21. Самокиш М.І., Бендера І.М., Бурдега В.Ю., Ткачук В.С. Борона для пошарового розпушування ґрунту // Аграрна наука - селу. - Чернівці: Митець, 1998.- С.99 (автором описана конструкція борони і технологічний процес роботи).

Анотація

Бурдега В.Ю. Обґрунтування параметрів борони з гнутоштабовими зубами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11- машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Львівський державний аграрний університет, Львів, 2004.

Дисертацію присвячено питанням поверхневого обробітку ґрунту боронами з гнутоштабовими зубами для забезпечення підвищення якості обробітку ґрунту і зменшення енергетичних затрат на процес обробітку. Розроблена математична модель переміщення ґрунту по робочій поверхні гнутоштабового зуба. Обґрунтовані раціональні конструктивні параметри гнутоштабового зуба та борони. Експериментально досліджено вплив конструктивно-технологічних параметрів борони з гнутоштабовими зубами на якісні та енергетичні показники роботи борін під час поверхневого обробітку ґрунту. Розроблено методику інженерного розрахунку гнутоштабових зубів. Перевірено роботоздатність борін з різною кількістю гнутоштабових зубів на різних типах ґрунтів. Проведено виробничі випробування борін з гнутоштабовими зубами під час сівби ранніх зернових та розраховано економічний ефект від їх використання.

Ключові слова: грунт, гнутоштабовий зуб, борона, обробіток ґрунту, розпушування, кришіння, тяговий опір, енергетична ефективність, економічна ефективність.

Аннотация

Бурдега В.Ю. Обоснование параметров бороны с изогнутополосовыми зубьями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11- машины и средства механизации сельскохозяйственного производства - Львовский государственный аграрный университет, Львов, 2004.

Диссертация посвящена разработке и теоретико-экспериментальным исследованиям зубовой бороны с зубьями, изготовленными путем изгиба в плоскости меньшей жесткости металлической полосы, с целью обеспечения улучшения качества обработки почвы и снижения энергетических затрат на процесс обработки.

Для решения поставленных задач проведен анализ путей улучшения качества рыхления почвы и снижения энергетических затрат на процесс рыхления, что позволило получить рабочий орган, обеспечивающий объемное разнонаправленное деформирование почвы. Конструкция бороны с изогнутополосовыми зубьями позволяет обеспечить улучшение качества крошения почвы, стабилизации глубины хода и снижение энергетических затрат.

Проведены теоретические исследования перемещения частиц почвы по рабочей поверхности изогнутополосового зуба, а также исследованы условия устойчивого и стабильного движения бороны по глубине обработки почвы, что позволило получить дифференциальные уравнения, описывающие процесс перемещения частиц почвы по поверхности рабочего органа, а также зависимости влияния конструктивных параметров изогнутополосовых зубьев на дополнительное заглубление бороны.

Изложена программа и методика проведения экспериментальных исследований, описаны лабораторные установки, экспериментальная полевая установка. Для проведения экспериментов было использовано стандартизированное оборудование, а также разработанное и изготовленное самостоятельно, которое наиболее близко соответствовало условиям исследуемого процесса. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования влияния конструктивных параметров изогнутополосовых зубьев на качественные и энергетические показатели обработки почвы.

Осуществлены лабораторно-полевые и производственные испытания с использованием математического метода планирования эксперимента. В результате проведения экспериментов получены уравнения регрессии, позволяющие оценить влияние исследуемых факторов на качественные и энергетические показатели обработки почвы. Получены уравнения регрессии для расчета зоны деформации от воздействия изогнутополосовых зубьев в зависимости от конструктивных параметров, величины удельной энергоемкости процесса рыхления почвы, коэффициента качества рыхления почвы, тягового сопротивления, а также отношения приведенного коэффициента качества рыхления к тяговому сопротивлению и на основе этих зависимостей оптимизированы конструктивные параметры изогнутополосовых зубьев для установки на зубовую борону.

Проведены полевые испытания экспериментальных борон с изогнутополосовыми зубьями, изготовленными из стальной полосы 536 мм. Конструктивные параметры зубьев: угол между уступами =90, угол вхождения уступа в почву =20, ширина захвата зуба b=40 мм, высота зуба l=185 мм.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований борон с экспериментальными изогнутополосовыми зубьями на разных типах почв с разным количеством зубьев на разных скоростях движения. Получены экспериментальные зависимости глубины обработки, качества рыхления и крошения почвы, удельного сопротивления, гребнистости и выравненности поля, потери влаги в пахотном слое при бороновании. Коэффициент качества рыхления у экспериментальных борон выше, а тяговое сопротивление меньше, чем у серийных.

Производственные испытания борон с изогнутополосовыми зубьями показали надежность технологического процесса их работы, обеспечивающего высокое качество обработки почвы и снижение энергетических затрат на процесс поверхностной обработки почвы.

...