Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України та Державному агроекологічному університеті Міністерства аграрної політики України.

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об'єкт, предмет, задачі та методи дослідження, окреслено наукову новизну й практичну значимість роботи.

У першому розділі "Сучасний стан питання та задачі досліджень" виконано аналіз впливу ущільнюючої дії сільськогосподарської техніки на агротехнологічний стан ґрунту та проаналізовано способи розущільнення ґрунтового середовища. На основі розгляду результатів досліджень В.П.Горячкіна, П.М. Василенка, Л.В. Погорілого, М.Н. Нагорного, П.М. Заїки, М.К. Лінника, І.І.Водяника, В.О.Дубровіна, В.Г.Євтенка, Я.С. Гукова, Н.П. Ксеневича, А.С.Кушнарьова, В.В.Медведєва, В.Ф.Пащенка; А.Т. Лєбедева, Л.Ф. Бабіцького, О.В. Сидорчука, Д.Д. Прокопенка, І.О.Ніщенка, О.І. Завгороднього, І.В. Морозова, В.Б. Самородова, В.А.Скотникова, В.В. Смільського, Б.А.Шелудченка, П.М. Забродського, І.А. Шевченка, В.Д. Надикто та інших формалізовані вимоги до впливу колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів на ґрунтове середовище та визначено наукову концепцію конструкційної модернізації МТА на базі колісного трактора типу Т-150К, як мобільного засобу сільськогосподарського призначення. Концепція обумовлює зміни типорозміру шин, з шириною більшою за 21,3R24, що доцільно встановити на трактор класу 3, та узгодження їх параметрів з режимами роботи робочих органів ґрунтообробних машин. Це дозволяє задовільнити агротехнічні вимоги при виконанні основних сільськогосподарських операцій. Існуючі технології вирощування сільськогосподарських культур не враховують впливу навантаження збоку колісних рушіїв МТА на ґрунтове середовище. Тому доцільно розвивати дослідження з обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв МТА зі зменшенням їх шкідливого впливу на ґрунт. Означено, що одним із найбільш ефективних прийомів розущільнення ґрунтового середовища є використання комбінованих ґрунтообробних машин у складі МТА.

У другому розділі "Теоретичне обґрунтування напруженого стану ґрунту під колісним рушієм машинно-тракторного агрегату" проведено аналіз зміни напруженого стану ґрунтового середовища під дією колісних рушіїв та обґрунтовано їх конструктивно-технологічні параметри для трактора типу Т-150К. Аналітично встановлено рівень шкідливого впливу колісних рушіїв на ґрунтове середовище. В основу розробки покладено аналітичну модель, яка відображає процес зміни напруженого стану ґрунту під дією зосереджених навантажень. Попередні дослідження процесів контактування рушіїв МТА з ґрунтом свідчать про те, що числовий розв'язок задачі встановлення напруженого стану ґрунту можливий за умови застосування методу ітерацій. В першому наближенні ґрунт розглянуто як пружний на півпростір, обмежений горизонтальною поверхнею. Середовище ґрунтового напівпростору прийнято ізотропним. За таких умов застосовано розв'язок задачі Буссінеска. За цим методом розподілення напружень в масиві симетричне відносно осі х. Для побудови математичної моделі напруженого стану від декількох блоків розподіленого навантаження його представлено як суперпозицію n сил прикладених у відповідних точках.

В результаті отримано математичну модель напруженого стану від двох блоків розподіленого навантаження у вигляді:

де G - навантаження на вісь рушіїв, Н; р - 3,14; l_i -ширина ділянки, до якої прикладене розподілене навантаження, м; k_і - ваговий коефіцієнт (м^-1), що визначається, як: (відповідно Р₀ - з умови нормування становитиме: ); х, у - координати елементарної ділянки напівпростору М, для якого визначаються значення нормальних та дотичних напружень, м.

Відповідно до системи перший інваріант повного тензора напружень (шаровий тензор напружень), який і характеризує зміну напруженого стану досліджуваного середовища під дією пари рушіїв, визначається в вертикальній площині ґрунтового напівпростору як:

де І_І - інваріант повного тензора напружень (сума нормальних напружень у_І), Па. А максимальне зсувне напруження ф_max в певній точці цієї площини буде становити:

Одержані розвязки рівняння дають змогу реалізувати числовий імітаційний експеримент для дослідження напруженого стану ущільненого профілю ґрунту, відповідно до умови:

де G_i - вага машинно-тракторного агрегату, що припадає на і-й рушій, Н; q_i - тиск і-го рушія на поверхню поля, Па; l_опт - оптимальна площа плями контакту колісного рушія, м², у_н - межа текучості ґрунтового середовища, Па; [ф] - допустимі дотичні напруження, Па.

Використання системи (1) дозволяє реалізувати числовий імітаційний експеримент з обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів колісного рушія мобільного сільськогосподарського засобу при мінімалізації рівнів інтенсивності ущільнення ґрунтового середовища.

При розв'язанні системи (1), встановлено зміну рівня інтенсивності напруженості ґрунтового середовища за глибиною Н=х, в залежності від ширини 2b_е плями контакту колісного рушія з ґрунтом.

Відомо, що в серійних МТА на базі колісних тракторів класу 3 - 2b_е?0,53 м. Межа текучості дерново-підзолистого супіщаного ґрунту, яка не призводить до невідновлюваних змін структурного стану кореневих шарів ґрунту, для шару ґрунту 0…10 см становить _н<0,113 МПа. Допустимі дотичні напруження (з урахуванням моменту перекочування) становлять ф<0,021 МПа. З урахуванням цього встановлено, що при максимальному навантаженні на рушій до 28 кН (характерно для тракторів класу тяги 3) ширина плями контакту має відповідати умові 2b_е?0,55 м.

При виборі типу шин, що задовольняють даній вимозі, було проаналізовано нормальні і відносні прогини шин та ширину плями контакту, в залежності від тиску в шині та отримано систему (3).

При розв'язку системи (3) отримано раціональні параметри рушія, використання якого не призводить до невідновлюваних змін структурного стану орного шару ґрунту.

Встановлено, що межа текучості дерново-підзолистого супіщаного ґрунту, визначена експериментально, складає в шарі ґрунту 0…10 см _н=0,113 МПа. Аналізом результатів числового імітаційного експерименту визначено, що застосування на тракторі типу Т-150К шини 28,1R26 при тиску р_w=0,073 МПа не призводить до невідновлюваних змін структурного стану орних шарів ґрунту. Відповідно до визначених вихідних даних та загальних вимог до числової імітаційної моделі (1) розроблено програмне забезпечення, що дозволяє проводити дослідження числовими методами складових напруженого стану ґрунту в зоні контакту “колісний рушій - ґрунт”.

Раціональні параметри колісного рушія використаного при розробці запропонованого МТА на базі трактора класу 3.

В результаті розв'язку системи (1) та комп'ютерного аналізу напруженого стану ґрунту під дією колісних рушіїв отримано епюри суми головних напружень в ґрунті під передніми та задніми рушіями трактора Т-150К, оснащеного шинами 28,1R26 при тиску p_W=0,073 МПа.

Для характеристики впливу на ґрунтове середовище колісних рушіїв доцільно застосувати показник ступеня підвищення щільності ґрунту відносно початкової:

де с_о - значення початкової щільності ґрунту. кг/м³; с - емпіричний коефіцієнт, що характеризує здатність ґрунтового середовища до ущільнення, кг/(Нм); у_І - сума нормальних напружень, яка відповідає сумі перших двох рівнянь системи (1), Па.

Підвищена щільність ґрунту є негативним явищем, тому необхідно наблизити її до раціональних значень шляхом узгодження з режимами роботи робочих органів ґрунтообробних машин. Доцільно встановити раціональну глибину механізованого комбінованого обробітку ґрунту, з дотриманням наступних вимог:

де R_х - тяговий опір, Н; r - питомій опір ґрунту (для комбінованих агрегатів типу: Sepac-6000, Европак, АМО-7,5, АГ-6: r=50…75 кПа); а - глибина обробітку (а?0,12 м); b - ширина захвату (b=6…7,2 м).

Відповідно до отриманих значень показника ступеня підвищення щільності з врахуванням агротехнічних вимог та тягової потужності трактора класу 3 встановлено, що раціональною є глибина обробітку ґрунту в межах 4,9…6,7 см, при якій забезпечується ефективне виконання технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту та номінальне завантаження трактора типу Т-150К. Доцільною є установка робочих органів комбінованого агрегату на збільшену глибину обробітку ґрунту по колії трактора. Це на 3…5 % знижує показник ступеня підвищення щільності ґрунтового середовища в означеній зоні.

В третьому розділі "Програма та методика експериментальних досліджень" наведено програму експериментальних досліджень, описані лабораторно-польові установки, вимірювальні прилади, обладнання та методики обробки результатів досліджень. Аналіз полів напружень в моделях вертикальних перерізів ґрунтового напівпростору, при навантаженні ґрунту статичними силами двох блоків розподіленого навантаження, відстань поміж якими може змінюватись, виконано методами числового імітаційного моделювання за допомогою спеціально розроблених комп'ютерних програм. Запропоноване програмне забезпечення, дозволило одержати характеристики якості розподілення полів напружень та і числові показники величин напружень в окремих, заздалегідь визначених, точках моделі ґрунту на заданих лініях сканування. За базовий варіант обрано рушії колісного трактора Т-150К, який обладнано стандартними рушіями з шинами 21,3R24 моделі ФД-14. Запропонованим варіантом є трактор Т-150К з рушіями на шинах 28,1R26 моделі ФД-12 (згідно з ДСТУ 4140-2002).

Відповідно до умов застосування рушіїв, змінювали внутрішній тиск в шині. Досліджено варіанти з максимальним, середнім та мінімальним значеннями тиску в шині відповідно до її вантажопідйомності та технологічних вимог, пов'язаних з процесами механізованого обробітку ґрунту (за досліджуваним і базовим варіантами).

Показники якості виконання механізованого обробітку ґрунту в процесі лабораторно-польових досліджень визначені відносно необробленого агрофона, а саме: стерні однорічних трав. Експериментально проаналізовано наступні МТА для основного і передпосівного обробітку ґрунту: Т-150К+АГ-6 (базовий); Т-150К+АГ-6 (новий); Т-150К+ПЛН-5-35 (базовий); Т-150К+ ПЛН-5-35 (новий). Дослідження проведені на дерново-підзолистих супіщаних ґрунтах (типових для зони Полісся), при вологості - 17…19 %, щільності - 1,1…1,5 г/см3, твердості - 72…83 кН/м2.

Визначення тягового опору МТА здійснено методом тензометрування із застосуванням спеціально розробленої системи та обладнання автоматизованої реєстрації та оперативної обробки результатів експерименту.

В четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень конструктивно-технологічних параметрів колісних рушіїв машинно-тракторних агрегатів" наведено результати лабораторно-польових досліджень, виконано їх математичну обробку та аналіз. Регресивний аналіз суми нормальних напружень (у_х+у_у) в поверхневому шарі (Н<0,10 м) ґрунтового середовища, з урахуванням обмежень відносного прогину р_ш арки шини виконано на підставі результатів числового імітаційного моделювання суми у_х+у_у, обумовлена впливом ширини плями контакту В та прогином арки шини р_ш колісного рушія при його взаємодії ґрунтом і визначається наступним чином:

В результаті виконаних досліджень побудовано поверхню відгуку, за якою визначено зону раціональних значень ширини плями контакту (В) за обмеження нормального прогину арки шини (р_ш).

Встановлено, що раціональна ширина плями контакту лежить в межах В=0,5…0,6 м. З урахуванням обмеження відносного прогину арки шини р_ш, ширина плями контакту колісних рушіїв трактора Т-150К може бути забезпечена при застосуванні шини 28,1R26 з робочим тиском р_w=0,073 МПа, що узгоджується з результатами теоретичних досліджень.

Регресивним аналізом, встановлено також залежність сили тягового опору R_х від показника ступеня підвищення щільності k₀ та глибини обробітку ґрунту а:

За результатами аналізу відповідної поверхні відгуку визначено зону раціональних значень глибини передпосівного обробітку ґрунту.

З урахуванням обмежень показника ступеня підвищення щільності та сили тягового опору ґрунтообробної машини () раціональна глибина обробітку в умовах досліджень склала а?6,7 см.

Визначення твердості ґрунту в коліях колісних рушіїв засвідчило, що застосування запропонованих МТА, обладнаних шинами 28,1R26, дозволяє зменшити твердість ґрунту на 3...9 %, залежно від варіантів досліджень. Експериментальний аналіз коефіцієнтів обємного зминання ґрунту в коліях колісних рушіїв трактора у досліджуваних варіантах свідчить, що обємна деформація ґрунту при застосуванні запропонованих МТА в 2,73...3,1 рази менша ніж при застосуванні серійних агрегатів. Це лише в 1,3...1,5 разів більше у порівнянні з агрофоном. Порушення мікрорельєфу поля, оцінюване за глибиною колії, для нового МТА, менше за базове на 37,9 %.

Аналізом даних щодо зміни щільності ґрунту в коліях колісних рушіїв встановлено, що ущільнення при застосуванні нового МТА (Т-150К з шинами 28,1R26) зменшене на 6...14 % в порівнянні з базовим агрегатом (Т-150К з шинами 21,3R24). При цьому, шпаруватість ґрунту наближується до оптимальної на даному типі ґрунтів і становить в орному шарі 46...48 %. Аналіз результатів експериментальних досліджень стану ґрунту в зоні контакту “колісний рушій-ґрунт” за показниками щільності й шпаруватості свідчить про їх тісний кореляційний зв'язок, коефіцієнт кореляції складає r=0,7...0,92.

Встановлено залежність сили тягового опору R_х від глибини передпосівного обробітку ґрунту а (рис. 10) для нового МТА (Т-150К з модернізованими рушіями та АГ-6), яку можна описати наступним лінійним рівнянням:

Аналогічно встановлено залежність показника ступеня підвищення щільності k₀ від глибини передпосівного обробітку ґрунту а, яку можна описати рівнянням регресії:

Згідно отриманих результатів найкращим для передпосівного обробітку ґрунту є новий МТА у складі колісного трактора Т-150К (модернізованого) та комбінованої ґрунтообробної машини АГ-6. За результатами дослідження механічного складу ґрунту встановлено, що кількість агрегатів ґрунту (d<0,25 мм і d>10 мм), які не відповідають агровимогам з точки зору ерозійної стійкості у варіанті Т-150К з модернізованими рушіями та АГ-6 зменшилась на 5,6 % до базового варіанту, а коефіцієнт структурності збільшився на 34,4 %. Щільність обробленого ґрунту після проходу нового МТА відповідала агровимогам і становила 1,14 г/см³, що на 10,1 % менше, ніж для базового варіанту і на 19,7% менше у порівнянні з агрофоном. Коефіцієнт об'ємного зминання після нового МТА на 33,3 % менший за базовий. Отже, поверхня поля оброблена новим машинно-тракторним агрегатом відповідає вимогам до сівби сільськогосподарських зернових культур без виконання додаткових технологічних операцій, в умовах Полісся.

У п'ятому розділі "Результати господарської перевірки, еколого-енергетична та економічна ефективність пропонованої розробки" наведені результати науково-виробничої перевірки запропонованих машинно-тракторних агрегатів, та виконано їх техніко-економічну оцінку.

За результатами проведених техніко-економічних розрахунків встановлено, що річний економічний ефект від застосування запропонованого машинно-тракторного агрегату у складі Т-150К (модернізований)+АГ-6 становить 4953 грн.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Дисертаційною роботою, в результаті проведених теоретичних й експериментальних досліджень, подане нове вирішення актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності використання ґрунтообробних МТА на базі колісних тракторів шляхом обґрунтування узгоджених параметрів і режимів роботи рушіїв енергетичного засобу й робочих органів машин, що дозволяє нормалізувати сукупну дію на ґрунт від МТА і досягти екологічно допустимого рівня антропогенного впливу при виконанні механізованого обробітку ґрунту в умовах Полісся України.

1. На основі аналізу змін технологічного стану орного шару ґрунту в умовах Полісся України при його обробітку ґрунтообробними МТА на базі колісних тракторів при застосуванні існуючих технологій і технічних засобів відмічено наявність кореляційного зв'язку між характеристиками ущільнюючої дії ходових систем мобільної сільськогосподарської техніки і технологічними показниками стану ґрунтового середовища. Зниження рівнів техногенного впливу на ґрунти доцільно досягти шляхом комплексного узгодження параметрів і режимів роботи колісних рушіїв енергетичних засобів та робочих органів ґрунтообробних машин з урахуванням зональних особливостей.

2. Застосування розробленої математичної моделі взаємодії колісного рушія з ґрунтом дозволило обґрунтувати обмеження, що накладаються на параметри й режими роботи МТА на базі колісного трактора класу 3 в умовах Полісся. Зокрема встановлено, що оскільки за допустимих напружень _н<0,113 МПа та ф<0,021 МПа типові дерново-підзолисті ґрунти в шарі 0…10 см істотно не змінюють свого структурного стану, то при навантаженні на колісний рушій до 28 кН ширина плями контакту має відповідати умові 2bе?0,55 м.

3. Обґрунтування показника ступеня підвищення щільності ґрунту при роботі МТА на базі колісних тракторів дозволило формалізувати у вигляді номограми сукупну дію на ґрунт коліс трактора й робочих органів машини і обумовити їх узгоджені параметри для забезпечення допустимого рівня навантаження на ґрунт при виконанні його механізованого обробітку.

4. Шляхом числового імітаційного моделювання визначені раціональні конструктивно-технологічні параметри колісного рушія трактора класу 3, які доцільно застосовувати при виконанні технологічних операцій основного й передпосівного обробітку ґрунтів Полісся, зокрема робочий тиск в шині на рівні 0,073 МПа, а мінімальна ширина плями контакту - 0,55 м.

5. В результаті лабораторно-польових досліджень процесу взаємодії ґрунтового середовища з колісними рушіями трактора класу 3 й робочими органами ґрунтообробних машин в складі МТА доведено агротехнологічну доцільність заміни базового рушія трактора Т-150К, оснащеного шиною 21,3R24, на рушій з шиною типорозміру 28,1R26 з використанням модернізованого диска рушія складеного з нормалізованих конструкцій DW 1824 та DW 2426.

6. Порівняльними випробуваннями серійного та розробленого МТА для передпосівного обробітку ґрунту (Т-150К (модернізований)+АГ-6) доведено, що при застосуванні запропонованого рушія (28,1R26) у порівнянні з рушієм 21,3R24 зменшуються: порушення мікрорельєфу поля на 37,9 %, твердість ґрунту по дну колії на 3…9 %; об'ємна деформація ґрунту в зоні колії в 2,7…3,1 рази. При використанні запропонованого МТА шпаруватість ґрунту близька до оптимальної (46…48 %), а нерівномірність вологості в поверхневому шарі ґрунту і в зоні колії зменшена на 27,6 % у порівнянні з серійним аналогом.

7. З урахуванням обмежень за тяговим опором та показником ступеня підвищення щільності () для нового ґрунтообробного МТА у складі Т-150К (модернізований)+АГ-6 раціональна глибина обробітку ґрунту робочими органами складає а?6,7 см. Кількість структурних агрегатів ґрунту (d<0,25 мм і d>10 мм), які не відповідають агротехнічним вимогам з точки зору ерозійної стійкості, у запропонованому варіанті зменшилась на 5,6 % відносно базового (Т-150К+АГ-6). При цьому щільність механізовано обробленого ґрунту запропонованим МТА становила 1,14 г/см³, що на 10,1 % менше, ніж для базового варіанту і на 19,7 % у порівнянні з вихідним агрофоном. Коефіцієнт об'ємного зминання після нового МТА на 33,3 % менший за базовий.

8. Проведеною техніко-економічною оцінкою визначено, що розрахунковий річний економічний ефект від застосування запропонованого МТА у складі Т-150К (модернізований)+АГ-6 в порівнянні з базовим агрегатом становить 4953 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ