У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначені мета і завдання досліджень, наведені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз і проведено класифікацію способів та обладнання для висіву сипких мінеральних добрив. Досконалість технічного засобу для внесення добрив визначається в значній мірі його можливістю забезпечення рівномірності висіву. Встановлено, що обумовлена агротехнічними вимогами величина нерівномірності висіву добрив (до 10%) існуючими машинами перевищується в декілька разів. В.Е. Булаєв показав, що при основному внесенні добрив відцентровими робочими органами фактична нерівномірність сягає 50-70%. Така нерівномірність призводить до недобору врожаю, наприклад, зерна на 6.7 ц/га, картоплі - 20.25 ц/га. Як показали В.П. Ніконов й І.Ф. Сендряков, добрива при високій нерівномірності внесення взагалі з позитивного чинника перетворюються в негативний.

Аналіз конструкцій пристроїв для внесення мінеральних добрив, а також робіт Д.М. Анікста, І.К. Артюхова, А.Ф. Барбера, А.І. Борсукова, Г.В. Бельского, В.Е. Булаєва, Р.Т. Вільдреуша, М.Б. Гіліса, А.І. Горбильової, А.А. Докучаєва, Л.Е. Замятіна, Н.Н. Зеленіна, А.А. Калікінського та ін. показав, що дотримання норм агротехнічних вимог можливе тільки при використанні агрегатів з локальним внесенням добрив, з фіксованою шириною захвату і примусовим дозуючим їх відбором. Такі агрегати забезпечують максимальну ефективність використання мінеральних добрив. Крім того, як показали В.Д. Панніков, В.Г. Мінаєв, І.В. Грінченко, Koller K., Heymenn W., Jenkinson D., Fox H., Rayner J., стрічкове поверхневе або внутрішньогрунтове внесення добрив значно екологічно безпечніше, ніж поверхневе розкидне.

Вивчення стану проблеми та існуючих тенденцій розвитку конструкцій показує, що досить простими і надійними є шнекові засоби, але вони не забезпечують необхідну рівномірність висіву добрив внаслідок конструктивних недоліків, що стримує їх широке застосування. У них здійснюється подвійне дозування (на виході з бункера й у висівних отворах) та примусове переміщення добрив, що знаходяться у кожусі з надлишком, який накопичується в його торці. З метою запобігання руйнування пристрою, цей надлишок повертають до бункера. Це значно ускладнює конструкцію, підвищує її матеріалоємність та збільшує енерговитрати на привід допоміжних органів. Вільний вихід добрив через отвори в кожусі не дає змоги отримати необхідну рівномірність висіву. Примусове переміщення добрив вздовж кожуха призводить до їх здрібнення та утворення значної кількості пилоподібної фракції, що знижує ефективність використання добрив. Пил мінеральних добрив налипає на дозуючих отворах, зменшує їх пропускну спроможність, що змінює продуктивність і погіршує рівномірність висіву. Крім того, витки шнеку, проходячи над висівними отворами, створюють пульсацію добрив, що також погіршує рівномірність висіву. Уникнути цих недоліків можна, замінивши примусове переміщення добрив у розподільнику на гравітаційне, а вільний висів - на примусовий. Це здійснює розроблений розподільчо-дозуючий пристрій у вигляді ТТГ із ДП (рис. 1) [10].

Рис. 1. Конструктивна схема РДП з внутрішньою гвинтовою поверхнею: 1 - рама; 2 - центральний бункер; 3 - живильник; 4 - гвинт; 5 - секція кожуха; 6 - пластина нерухома; 7 - вікно вихідне; 8 - відбірник; 9 - ділянка секції збільшеного діаметра; 10 - зона віддалена від витків гвинта; 11 - 14 - тяги; 15 - зірочка

При роботі пристрою добрива з живильника 3 потрапляють у кожух, секції 5 якого жорстко з'єднані з гвинтом 4 і обертаються разом. В зазорах між секціями встановлені нерухомі пластини 6 з вихідними вікнами 7, в яких розміщені відбірники 8. Кожна секція має ділянку зі збільшеним діаметром 9, що разом з нерухомою пластиною утворюють зону 10 віддалену від гвинтової поверхні. При обертанні пристрою добрива переміщуються в осьовому напрямку по жолобу, що утворюється кожухом та гвинтовою поверхнею, потрапляють у зону 10, де відбірник 8 відокремлює частину добрив і виводить їх за межі пристрою. Таким чином у розробленій конструкції реалізовано принцип гравітаційного переміщення добрив по ширині захвату та примусовий відбір їх із кожуха. Гравітаційне переміщення добрив дозволяє запобігати подвійного дозування (залишається дозування тільки у ДП) і залишати надлишок добрив у кожусі (усувається необхідність повертати їх до бункера). При цьому практично не збільшується кількість пилоподібної фракції, що підвищує ефективність використання добрив. Застосування спеціального відбірника дозволяє отримувати сталу дозу та агротехнічно допустиму рівномірність висіву в широкому діапазоні норм внесення.

Аналізом теоретичних досліджень процесу переміщення сипкого матеріалу в трубах, що обертаються, які виконані Г.А. Генієвим, А.М. Григорьєвим, А.В. Євневичем, З.Б. Кантаровичем, П.С. Козьміним, В.Н. Левінсоном, А.Ф. Мешиком, А.О. Співаковським, Ф. Стренком, Е.І. Ходоровим встановлено, що при достатньо повно розробленій теорії цього процесу в горизонтальних та похилих гладких трубах практично відсутні дослідження руху сипкого матеріалу в трубі з додатковою внутрішньою гвинтовою поверхнею.

В.О. Кириченко, О.І. Завгородній, Г.С. Романюк розглядали рух частки в ТТГ і визначили граничні умови відриву її від внутрішньої поверхні в залежності від частоти обертання та кроку гвинта. Але в цих роботах не визначені: швидкість осьового руху частки, що обумовлює продуктивність ТТГ; закономірності переміщення шару сипкого матеріалу в ТТГ з проміжним його відбором; зв'язок продуктивності процесу з конструктивними та кінематичними параметрами, які, в свою чергу, залежать від агрономічних та експлуатаційних вимог. Необхідність рішення такої задачі обумовлена потребою оптимізації конструктивно-кінематичних параметрів розробленого пристрою для висіву мінеральних добрив.

Аналіз літературних джерел з визначення фізико-механічних властивостей мінеральних добрив, показники яких використовуються при теоретичних дослідженнях, показує, що, як правило, вказуються широкі діапазони їх значень, відомості про них неповні та суперечні, тому виникає необхідність уточнити та визначити ці властивості з метою одержання достовірних результатів при теоретичних дослідженнях.

У другому розділі наведено результати теоретичних досліджень з визначення кінематичних і конструктивних параметрів РДП.

Для забезпечення необхідної дози (q) висіву кожен дозуючий пристрій повинен мати продуктивність, яка визначається за формулою:

q = 0,1·b_м·V_а·H, кг/с, (1)

де b_м - ширина міжряддя, м; V_а - швидкість руху агрегату, м/с; Н - доза внесення, т/га.

Продуктивність ТТГ, яка повинна бути дещо більшою ніж сумарна продуктивність окремих дозуючих пристроїв для забезпечення їх сталої роботи, визначається за формулою:

М = р R² V_тр k_н с, кг/с, (2)

де R - радіус ТТГ, м; V_тр - швидкість переміщення сипкого матеріалу в ТТГ, м/с; k_н - коефіцієнт наповнення ТТГ; с - густина матеріалу, кг/м³.

Швидкість переміщення матеріалу в ТТГ визначалась як швидкість руху окремої частки. При дослідженнях встановлено, що рух частки в ТТГ носить циклічний характер (рис.2). З початком обертання ТТГ частка піднімається разом з кожухом в площині, перпендикулярній до її осі. При повороті труби на деякий кут в сили тертя не можуть утримувати частку на внутрішній поверхні кожуха і вона починає скочуватися донизу, але вже під кутом до осі ТТГ в площині, яка визначається геометрією гвинта. Після зупинки цикл руху частки повторюється. Таким чином, частка за один цикл проходить відстань між точками А, В, А₁, а в осьовому напрямку переміститься на відстань від точки А до точки А₁. Середня швидкість осьового руху визначається за формулою:

мінеральне добриво дозуючий пристрій

V_тр =, (3)

де S - крок гвинта; щ - кутова швидкість обертання ТТГ; щ₀ - кутова швидкість скочування частки; ш - кут коливання частки у перетині, нормальному до осі ТТГ; б - кут нахилу гвинтової лінії.

Рис. 2. Розрахункова схема до визначення закономірностей переміщення частки в ТТГ

Кутова швидкість скочування щ₀ визначається з диференціального рівняння руху частки по внутрішній поверхні ТТГ методом чисельного інтегрування:

, (4)

де f - коефіцієнт тертя.

Вирази (3) та (4) дозволяють розрахунковим шляхом визначити швидкості осьового переміщення частки. Так, для гранульованого суперфосфату в робочому діапазоні частот обертання 10.60 хв^-1 та діаметрі транспортуючої труби 0,1.0,2 м, вона знаходиться в межах від 0,016 до 0,185 м/с, що на 3.10% менше ніж така ж швидкість шнекового транспортера, а продуктивність становить 0,024.1,303 кг/с при тих же параметрах ТТГ.

Для визначення площі вихідного вікна F₀ дозуючого пристрою, що забезпечує необхідну дозу висіву, досліджено рух шару сипкого матеріалу в ТТГ, що представляє собою суцільний потік, з якого через певні проміжки через вихідні вікна відбирається його певна кількість (рис. 3).

Рис. 3. Розрахункова схема переміщення шару сипкого матеріалу в ТТГ

Потік сипкого матеріалу в ТТГ та при відбору з неї повинен бути нерозривним. Рівняння нерозривності потоку в циліндричній системі координат має вигляд:

, (5)

де _{r x} - компоненти швидкості.

Будемо вважати сипке середовище таким, що не стискується, а складову - малою. Тоді в рівнянні (5) залишаться друга та четверта складові, а права частина відповідає зміні маси в одиниці об'єму за одиницю часу внаслідок відбору частини середовища з потоку. Після перетворень площа вихідного вікна F₀ за умови однакової витрати маси матеріалу m₀ через кожен відбірник:

де l - відстань між вихідними вікнами; Х - координата вихідного вікна.

Аналіз одержаного виразу дозволив встановити залежність між площею вихідного вікна F₀ і витратою сипкої маси m₀ через нього при різних частотах обертання ТТГ (рис. 4).

Рис. 4. Залежність між площею вихідного вікна F₀ і витратою через нього сипкої маси m₀ при різних частотах n обертання ТТГ (D=0,18 м; S=0,18 м)

Рис. 5. Схеми: а) відбірника; б) виходу добрив через відбірник: 1 - нерухома пластина; 2 - секція кожуха; 3 - вихідне вікно; 4 - відбірник

Рис. 6. Розрахункова схема: а) руху шару сипкого матеріалу через відбірник; б) до визначення співвідношення площ поперечного перерізу входу та вихідного вікна в залежності від глибини введення відбірника

Параметри відбірника, що забезпечують необхідне дозування добрив, визначені дослідженням процесу руху шару сипкого матеріалу в каналі зі змінною геометрією поперечного перерізу (рис.6).

Дозування добрив здійснюється відбірником, який відділяє частину потоку, що підводиться до нього знизу (рис.5). Відбірник - прямокутна трикутна призма з внутрішньою направляючою пластиною (АВС), який розміщується у вихідному вікні (3) такого ж профілю. При роботі добрива потрапляють на направляючу пластину, яка змінює напрямок їх руху та виводить за межі пристрою через вихідне вікно.

Одержано вираз, що визначає величину продуктивності процесу висіву дозуючим пристроєм:

Ч

, (7)

де S₁, S₂ - площі відповідно поперечного перерізу входу та вихідного вікна, f₀ - коефіцієнт тертя матеріалу; f₁ - коефіцієнт внутрішнього тертя матеріалу; µ - коефіцієнт Пуассона матеріалу; h_ш - висота шару матеріалу що відділяється; б_в - кут відриву матеріалу; - складова прискорення матеріалу по осі у; R_д - відстань від центру обертання до лінії виходу матеріалу за межі дозатора; l_в - довжина лінії відриву матеріалу; х - поточна координата лінії відриву; в - глибина введення відбірника в потік; а, с - розміри вихідного вікна.

Результати аналізу виразу (7) наведено на рис. 7.

Продуктивність дозуючого пристрою залежить, як від частоти обертання транспортуючої труби, та і від глибини введення відбірника, але, як видно з рис.7 глибина введення відбірника більш суттєво впливає на продуктивність дозуючого пристрою, тому цей параметр необхідно приймати за основний при регулюванні дози висіву.

При прямокутному перерізі входу та трикутному перерізі вихідного вікна одержано рівняння, яке визначає форму кривої направляючої пластини у вигляді параболічного циліндра, в залежності від конструктивних параметрів відбірника, що забезпечує рух сипкого матеріалу з найменшим опором.

Рис. 7. Продуктивність дозуючого пристрою в залежності від глибини введення відбірника в потік та частоти обертання транспортуючої труби

Зв'язок продуктивності транспортуючої труби з необхідною нормою висіву добрив і величиною витрати через дозуючий пристрій дозволив визначити конструктивні та кінематичні параметри ТТГ, розміри вихідного вікна дозатора, а також обґрунтувати регулювання дози висіву добрив.

Для забезпечення дози висіву 20.1000 кг/га мінеральних добрив з густиною 1000 кг/м³ визначені раціональні параметри розподільчо-дозуючого пристрою: діаметр труби - 0,14.0,19 м; частота обертання ТТГ - 10.40 хв^-1; площа вихідного вікна 150.900 мм² та розміри його сторін 30 та 60 мм; глибина введення відбірника - 10.60 мм; продуктивність ДП - 2,68.179,41 г/с.

У третьому розділі наведені програма та методика експериментальних досліджень, виконано обґрунтування і опис об'єкту досліджень та експериментальних пристроїв.

Для дослідження фізико-механічних властивостей мінеральних добрив: гранулометричного складу, коефіцієнта внутрішнього тертя, кутів природного укосу, насипання, початку скочування з похилої площини та впливу на гранулометричний склад шнекового транспортера та транспортуючий трубі використовувались стандартні та спеціально розроблені пристрої та методики.

Для дослідження продуктивності транспортуючий труби та оптимізації конструктивних і кінематичних параметрів розподільчої частини пристрою була виготовлена лабораторна установка з однією секцією розподільника (рис. 8).

Для зменшення кількості параметрів, що впливають на працездатність транспортуючої труби, було проведено відсіваючий експеримент. Використання методу випадкового балансу, рекомендованого для попередньої оцінки вагомості кожного з факторів окремо, дозволило скоротити число досліджуваних факторів у чотири рази.

Експериментальні дослідження дозуючого пристрою, з урахуванням багатофакторності процесу переміщення добрив у дозаторі зі значущою взаємозалежністю факторів, проведено методом кореляційно-регресійного аналізу.

Використано ротатабельний план другого порядку. Дослідження та оптимізація параметрів дозуючого пристрою виконані на лабораторній установці (рис. 8), в якій на протилежному від бункера боці встановлювалася секція 8 з дозуючим пристроєм.

Перевірка показників роботи дозуючого пристрою на сталість дози та рівномірність висіву добрив проводилась на установці з чотирма секціями (рис. 9).

Рис. 8. Лабораторна установка для визначення закономірностей переміщення частки, продуктивності транспортуючої труби та дозуючого пристрою: 1 - транспортуюча труба; 2 - рама; 3 - пристрій запірний; 4 - лоток; 5 - привід; 6 - живильник; 7 - бункер; 8 - секція з дозуючим пристроєм; 9 - відбірник

Під час проведення дослідів у польових умовах використовувався агрегат, що складався з трактора ЮМЗ-6Л та розподільчо-дозуючого пристрою, змонтований на базі культиватора КРН-4,2. Для збирання висіяних добрив на ділянці були розміщені 120 лотків за схемою (рис.10), що забезпечила можливість одночасної оцінки поздовжньої та поперечної нерівномірностей. Обробка результатів дослідів виконана методами математичної статистики з використанням стандартних програм для ПК. Нерівномірність висіву оцінювалась коефіцієнтом варіації.

Рис. 9. Лабораторні дослідження роботи дозуючих пристроїв на сталість дози та рівномірність висіву

Рис. 10. Схема розміщення лотків та руху агрегату при проведенні дослідів у польових умовах

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень, виконаних у відповідності з програмою.

Дослідження фізико-механічних характеристик мінеральних добрив дозволило уточнити і розширити відомі дані, необхідні для проведення теоретичних досліджень. Ситовий аналіз гранулометричного складу вихідної суміші та сумішей, що пройшли через шнековий транспортер та транспортуючу трубу показав, що в транспортуюча труба майже не відбувається здрібнення добрив тоді, як шнековий транспортер збільшує кількість пилоподібної фракції (до 0,1 мм) для різних добрив у 4…6 рази порівняно з транспортуючою трубою. Це сприяє більш надійній роботі дозуючих пристроїв та більш ефективному використанню мінеральних добрив.

Оцінка результатів відсіваючого експерименту показала, що на продуктивність транспортуючої труби суттєво впливають її діаметр та частота обертання, менше впливають кут нахилу розподільника (у межах до 8⁰) та об'ємна маса транспортуючого матеріалу. Незначний вплив мають число заходів гвинта, співвідношення кроку гвинта до його діаметра та коефіцієнти тертя добрив. За результатами аналізу було виключено шість параметрів з восьми, що дало змогу значно скоротити обсяг експериментальних досліджень.

Дослідження осьової швидкості переміщення добрив у транспортуючій трубі показали, що характер залежності її величини від частоти обертання близький до лінійного та ідентичний характеру теоретичної залежності при задовільній збіжності (рис. 10).

Задовільну збіжність з теоретичними результатами дали також результати експериментальної перевірки продуктивності транспортуючої труби в залежності від частоти її обертання (рис. 11).

Рис. 11. Теоретична 1 та експериментальна 2 залежності осьової швидкості переміщення добрив від частоти обертання транспортуючої труби

Рис. 12. Продуктивності транспортуючої труби в залежності від частоти обертання: 1 - теоретична; 2 - експериментальна

За результатами багатофакторного експерименту впливу кінематичних та конструктивних параметрів на величину продуктивності дозуючого пристрою одержано рівняння регресії, яке визначає залежність продуктивності процесу висіву добрив дозатором від частоти обертання труби (х₁), глибини введення (х₂) та відстані (х₃) відбірника від осі обертання:

+

. (8)

Аналіз виразу (8) показав, що продуктивність дозуючого пристрою суттєво залежить від глибини введення відбірника, тому цей параметр було прийнято для регулювання дози висіву. Це підтверджує адекватність розробленої математичної моделі (8).

Дослідження нерівномірності висіву, яка оцінювалась коефіцієнтом варіації (табл. 1), показали, що на всіх досліджуваних частотах обертання поперечна та поздовжня нерівномірності висіву не перевищують агротехнічно допустиму (10%), причому зі збільшенням частоти обертання розподільчо-дозуючого пристрою та глибини введення відбірника нерівномірність висіву зменшується. При цьому для агрегату шириною 4,2 м при швидкості руху 7,2 км/год і шириною міжряддя 0,7 м доза висіву суперфосфату знаходиться в межах від 15 до 1166 кг/га.

Комплексний аналіз результатів теоретичних, експериментальних і виробничих досліджень дозволив рекомендувати для агрегату з шириною захвату від 4 до 6 м, при швидкості його руху від 7 до 10 км/год та при ширині міжряддя від 0,3 до 0,7 м, для забезпечення дози висіву від 20 до 1000 кг/га мінеральних добрив такі оптимальні значення конструктивно-кінематичних параметрів транспортуючої труби: діаметр 0,19 м; крок гвинта 0,19 м; частоти обертання 14 і 28 хв^-1. Вихідне вікно є прямокутний трикутник площею 900 мм² з розмірами катетів 30 і 60 мм. Глибина введення відбірника для забезпечення всього діапазону доз висіву становить 10.60 мм, а його направляюча пластина виконана у формі параболічного циліндру.

Таблиця 1

Нерівномірність та доза висіву виробничою установкою розподільчо-дозуючого пристрою

Виробничі випробування розробленого РДП з шириною захвату 4,2 м і бункером об'ємом 1 м³ проведені в СФГ "Діамант" Борівського р-ну Харківської обл. показали, що його продуктивність на 53% більша, ніж у КРН-4,2. Використання РДП при вирощуванні соняшнику на площі 152 га в СФГ "ОКА" Дворічанського р-ну Харківської обл. показало: його продуктивність більша на 60% порівняно з КРН-4,2; підвищення врожайності склало 1,7ц/га; вміст олії в насінні збільшився на 1%. Це дало змогу отримати додатково 20 тис. грн прибутку. Результати роботи передані для впровадження на ВАТ "Галещина, машзавод" Полтавської області з очікуваним економічним ефектом 4200 грн на одну машину.

У п'ятому розділі наведено методику технологічного розрахунку процесу висіву та номограму для визначення основних параметрів розподільчо-дозуючого пристрою, а також - економічне обґрунтування його доцільності.

Висновки