Обґрунтування основних параметрів подрібнювача гілок ущільненого саду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аграрний університет

УДК 631.3: 634

Обгрунтування основних параметрів подрібнювача гілок ущільненого саду

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сарана Віктор Володимирович

Київ 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Фришев Сергій Георгійович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гарькавий Анатолій Дмитрович, Вінницький державний аграрний університет, завідувач кафедри експлуатації машинно-тракторного парку і ремонту машин

кандидат технічних наук, доцент Пилипенко Олександр Миколайович, Національний аграрний університет, доцент кафедри механізації тваринництва

Провідна установа - Харківський національний технічний університет сільського господарства, кафедра сільськогосподарських машин, Міністерство аграрної політики України, м. Харків

Захист відбудеться “24” жовтня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус №3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус №4, к. 28

Автореферат розісланий “22” вересня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ Войтюк Д.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Збільшення виробництва плодів та ягід в Україні можливе лише в результаті інтенсифікації розвитку галузі садівництва. Ресурсозбереження і зокрема зменшення трудомісткості виробництва продукції є одним з пріоритетних факторів підвищення ефективності цієї галузі. Низький рівень механізації (25...35 %) призводить до затягування строків виконання технологічних операцій і, як наслідок, до значного недобору товарної продукції, зниження якості та збільшення її собівартості.

Проблема екологічної безпеки поряд з безвідходними технологіями з кожним роком стають більш актуальними. До таких, зокрема, і належить проблема утилізації гілок плодових дерев зрізаних в садах інтенсивного типу з ущільненою схемою посадки. Під час догляду за кроною плодових дерев з кожного гектару ущільнених садів щорічно зрізується в середньому від 2,5 до 6,5 тон деревини в залежності від віку дерев, виду підщепи, сорту, породи, схеми посадки, типу обрізки. Трудомісткість операцій по обрізці, збиранню та утилізації гілок за літературними даними складає 15...26 % загальних трудовитрат на вирощування плодів. Витрати праці на обрізування гілок в саду і наступну їх утилізацію сягають 220 люд.-год/га за рік. Якщо для обрізування гілок в Україні розроблені і використовуються засоби механізації, то при подальшій утилізації механізовано лише процес їх вивезення.

Особливістю сучасного розвитку світового садівництва і садівництва України є впровадження у виробництво інтенсивних садів ущільненого типу де, у порівнянні з традиційними садами, зменшено габарити дерев, що привело до збільшення їх кількості на одиниці площі в 5...8 разів та зменшення діаметра гілок, які зрізаються під час догляду за кроною дерев. Це створює зручніші умови та зменшує енерговитрати при подрібненні деревини під час її утилізації. В зв'язку з цим актуальними є дослідження, які спрямовані на обґрунтування технологічної схеми і параметрів робочих органів пристрою для подрібнення гілок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження роботи подрібнювача деревини проведено відповідно до комплексної програми „Державна програма виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової та переробної промисловості на 1998-2005 рр.”, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 09.02.1998р.

Дана дисертація виконана на кафедрі експлуатації техніки та інженерного менеджменту Національного аграрного університету та в інженерному центрі Інституту садівництва Української академії аграрних наук (УААН). Основні її положення увійшли до тематичного плану науково-дослідної роботи (номер державної реєстрації - 0102U004753) „Розробити універсальну косарку-подрібнювач для скошування трави в саду та подрібнення гілок після обрізування крон” за договором з державним департаментом продовольства Міністерства аграрної політики від 23.11.2001 року.

Мета та завдання досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності утилізації зрізаних гілок плодових дерев в ущільнених садах шляхом удосконалення засобів механізації для їх подрібнення.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:

1. Теоретично обґрунтувати конструктивно-технологічну схему та основні геометричні розміри і масу робочих органів подрібнюючого пристрою з урахуванням статистичних характеристик валка зрізаних гілок.

2. Обґрунтувати та розробити математичну модель процесу взаємодії молотка з гілкою при центральному і нецентральному безпідпорному поперечному ударі, аналіз якої дасть можливість визначити величину руйнівної швидкості молотка.

3. Теоретично визначити і експериментально уточнити складові балансу потужності та вплив на них основних параметрів процесу подрібнення для двороторного мобільного подрібнювача гілок.

4. Експериментально уточнити раціональні конструктивні параметри та кінематичні режими роботи подрібнювача з метою забезпечення мінімальних питомих енерговитрат та якісних показників, що відповідають агровимогам.

5. Провести виробничу перевірку та дати техніко-економічну оцінку раціональної технології з використанням розробленого подрібнювача.

Об'єкт дослідження - процес подрібнення гілок одержаних після обрізки крони ущільненого саду, машина для подрібнення гілок та її робочі органи. подрібнювач гілка молоток двороторний

Предмет дослідження - закономірність впливу параметрів робочих органів та режимів роботи пристрою для подрібнення гілок на ефективність його роботи.

Методи досліджень. Аналітичні й експериментальні методи технічних досліджень з використанням основних положень землеробської механіки, теоретичної механіки, опору матеріалів, математичного планування багатофакторних експериментів та математичної статистики. Результати досліджень оброблялися на ПЕОМ за допомогою прикладних програм STAT (ННЦ „ІМЕСГ” УААН) та STATISTICA-6.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Обґрунтована та розроблена математична модель процесу взаємодії молотка з гілкою при центральному і нецентральному безпідпорному поперечному ударі, аналіз якої дає можливість визначити величину руйнівної швидкості молотка.

2. Теоретично визначені і експериментально уточнені складові балансу потужності та вплив на них основних параметрів процесу подрібнення для двороторного мобільного подрібнювача гілок.

3. Експериментально уточнені раціональні конструктивні параметри та кінематичні режими роботи подрібнювача з метою забезпечення мінімальних питомих енерговитрат та якісних показників, що відповідають агровимогам.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена технологічна схема та науково обґрунтовані конструктивні параметри і раціональні режими роботи мобільного одноступінчастого двороторного подрібнювача гілок. Машина забезпечує подрібнення, при якому відсоток частинок довжиною до 150 мм складає більше 80 %. Впровадження технології утилізації зрізаних гілок з використанням розробленого подрібнювача деревини дасть змогу зменшити витрати праці в 1,4 рази, палива в 2,6 рази, а приведені експлуатаційні витрати скоротити в 1,9 рази порівняно з існуючою технологією, яка передбачає спалювання деревини, дозволить виключити забруднення навколишнього середовища і використати деревину як органічне добриво або мульчу.

Особистий внесок здобувача. Полягає в обґрунтуванні напрямку досліджень, в проведенні теоретичного аналізу зв'язку основних параметрів робочих органів та режимів роботи подрібнювача, обґрунтуванні та розробці математичної моделі процесу взаємодії молотка з гілкою при центральному і нецентральному безпідпорному поперечному ударі, розробці методик досліджень й конструкції установок, їх виготовлення і виконання експериментальних досліджень, в аналізі та обробці експериментальних даних. В опублікованих працях, які відповідають темі дисертації, доля здобувача складає від 60 до 100 %.

Апробація результатів досліджень. Результати наукового дослідження доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету (2003 - 2006 р.р.), 4 міжнародній науково-технічній конференції “Motrol 2003” (Київ, НАУ. - 2003), міжнародній науково-технічній конференції біоекотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві (Київ, НАУ. - 2004), міжнародній науково-технічній конференції до 75-річчя факультету механізації сільського господарства Навчально-наукового технічного інституту НАУ “Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва” (Київ, НАУ. - 2004). Дисертаційна робота в повному обсязі була заслухана на розширеному засіданні кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту НАУ (м. Київ, 2006).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 5 наукових праць, з них 2 - одноосібні, у фахових виданнях, та отримано 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Основний зміст дисертації викладено на 171 сторінці друкованого тексту і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 134 найменування (з них 19 на іноземній мові), 4 додатків, містить 14 таблиць та 68 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету і завдання досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення роботи, рівень апробації і публікації одержаних результатів досліджень.

У першому розділі „Стан питання й завдання досліджень” наведено короткий огляд технологій, технічних засобів і результатів наукових досліджень за темою, даний порівняльний багатокритеріальний аналіз існуючих технологій утилізації гілок та засобів механізації для їх подрібнення, визначені напрямки вдосконалення процесу подрібнення гілок плодових дерев після обрізки крони ущільненого саду.

Порівняльний багатокритеріальний аналіз існуючих технологій утилізації гілок за допомогою чотирьох критеріїв: витрати праці, витрати палива, приведені експлуатаційні витрати та вплив на навколишнє середовище свідчить про доцільність застосування технологічного процесу подрібнення гілок з розкиданням деревини по поверхні ґрунту.

Дослідженням процесу подрібнення деревини (переважно лози винограду) займалося ряд науковців: Варламов Г.П., Подмогільний В.І., Карапетьян А.Г., Цицив М.В., Ящук В.М., Цуканов В.П., Привалов І.С., Бауков А.А., Гумбатов В.И., Черненко Н.Г., Шумская Н.Н. Основи теорії молоткового подрібнювача закладені в працях академіка Горячкіна В.П. і потім розвинуті роботами професорів: Гернета М.М., Мельникова С.В., Альошкіна В.Р., Ревенка І.І., Барабашкіна В.П., Гарькавого А.Д., Горанского В.А. та інших. Але, як свідчить проведений аналіз, результати цих досліджень не можуть бути безпосередньо використані для розрахунку раціональних параметрів молоткових мобільних подрібнювачів, які призначені для утилізації гілок плодових дерев. Це обумовлено відмінністю фізико-механічних властивостей матеріалів та конструктивно-технологічними особливостями відповідних подрібнювачів.

Огляд відомих технологій утилізації зрізаних гілок, аналіз існуючих досліджень з подрібнення гілок плодових дерев, лози винограду та інших стеблових матеріалів дозволяє зробити висновок про недостатність в інформаційних джерелах даних обґрунтування конструктивно-технологічної схеми пристрою для подрібнення гілок в садах ущільненого типу, його параметрів та режимів роботи.

В зв'язку з наведеним станом виникає необхідність у проведенні дослідженя процесу подрібнення гілок ущільненого саду із розробкою робочих органів відповідного пристрою, обґрунтуванні раціональних параметрів та режимів роботи мобільного подрібнювача. Проведена багатофакторна комплексна техніко-економічна оцінка існуючих зарубіжних засобів для подрібнення гілок плодових дерев в садах ущільненого типу із використанням методу відстані до цілі дозволила встановити доцільність застосування одноступінчастих двороторних подрібнювачів з вертикальними осями обертання роторів, робочими органами яких є шарнірно закріплені молотки.

У другому розділі „Теоретичний аналіз подрібнення гілок плодових дерев,” виходячи з умов повного підбору валка зрізаних гілок та врівноваження молотків на удар, обґрунтовано основні конструктивно-геометричні параметри робочої камери та роторів двороторного мобільного подрібнювача, які забезпечують раціональний режим його роботи; обґрунтована та розроблена математична модель процесу взаємодії молотка з гілкою при центральному і нецентральному безпідпорному поперечному ударі, аналіз якої дає можливість визначити величину руйнівної швидкості молотка; складено рівняння балансу потужності для даного подрібнювача.

На підставі аналізу стану питання подрібнення гілок нами запропонована конструктивно-технологічна схема мобільного подрібнювача, яка подана на рис. 1.

Під час роботи подрібнювач рухається так, що його повздовжня вісь співпадає з віссю валка гілок, які формуються в міжряддях саду, а ротори обертаються назустріч один одному. Це забезпечує ефект “затягування” гілок в робочу камеру і зменшує їх втрати при підборі. Кожен ротор містить штангу 5, на консольних кінцях якої шарнірно підвішені горизонтально розміщені молотки 6. Робоча камера для подрібнення гілок обмежена рекаттерами 3, боковинами 11 та кришкою 10. Рекаттери складені з горизонтально розташованих прутків 8, зазори між якими створюють щілини для проходу подрібнених частинок деревини. Для інтенсифікації технологічного процесу в камері подрібнення встановлені контрмолотки 4. В таких умовах роботи, основне подрібнення матеріалу відбувається переважно при вході гілок в камеру (подрібнення, наприклад в точках А і В) та безпосередньо в ній - безпідпорне подрібнення деревини і з використанням контрмолотків - підпорне, а також в наслідок гальмування маси під час її переміщення по поверхні рекаттерів.

Ширина вхідного вікна В_вх повинна бути більше ширини (або дорівнювати ширині) валка гілок b_в, яка визначається експериментально, та враховувати відхилення від прямолінійності руху подрібнювача m. Звідси можна записати таку залежність:

де у_в - середньоквадратичне відхилення розміру валка по ширині, м; m - поперечне відхилення траєкторії руху агрегату від повздовжньої вісі валка, м (m=±0,1м).

З іншого боку, ширина вхідного вікна В_вх, для забезпечення затягування відділених частинок гілок після удару, повинна бути менше від відстані між центрами роторів. На підставі припущення, яке не враховує рух частинки матеріалу по поверхні молотка в період їх взаємодії (тривалість удару дуже мала), виходячи з конструктивних міркувань, можна записати (рис. 1). Звідси маємо:

де D - діаметр ротора по кінцям молотків, м; ?_м - мінімальний зазор між траєкторіями кінців молотків суміжних роторів. Величина зазору повинна виключати співударяння молотків суміжних роторів і одночасно забезпечувати розщеплення гілок діаметром понад 10 мм - тому Д=0,01 м. Для b_в=1,15 м, у_в=0,07 м - D=1,45 м.

В результаті конструктивно-геометричних міркувань та теоретичних викладок було також визначено висоту робочої камери Н, її радіус R_к, відстань між внутрішньою поверхнею камери та кінцями молотків, кількість прутків на рекаттері, кути обхвату е і з рекаттерів, кількість молотків Z на роторі, які йдуть по одному сліду та відстань В між ними (див. рис. 1).

Форма молотка була прийнята у вигляді прямокутника з довжиною а і шириною b, оскільки такі робочі органи мають просту конструкцію та технологію виготовлення. Згідно теорії ексцентричного удару, яка забезпечує відсутність передачі реакції удару на вісь підвісу молотка, його розміри повинні становити: довжина до осі підвісу l=0,223 м, загальна довжина a=0,334 м, ширина b=0,145 м, а радіус підвісу на роторі R=0,502 м при D=1,45 м.

Виходячи з того, що максимальні втрати кінетичної енергії молотка мають місце при центральному ударі, для визначення його раціональної приведеної маси m₁ розглянемо випадок центрального співударяння молотка та гілки з незакріпленими кінцями (рис. 2). На підставі теореми про зміну кількості руху при ударі лінійна швидкість гілки u₂ в точці контакту А з молотком та його кутова швидкість після такого удару відповідно дорівнюють:

де u_n - умовна швидкість, яку досягали б молоток і гілка під час абсолютно непружного удару:

б_i - поточний кут повороту ротора від точки L (входу в зону валка) до точки, яка характеризує середній кут повороту молотка до зустрічі з гілкою; б_r - кут, який обумовлений конструктивною схемою ротора; К - коефіцієнт відновлення при ударі; n_р - частота обертання ротора; V_м - поступальна швидкість роторів подрібнювача; V₀ - колова швидкість точки контакту А до удару.

Кут напрямку в₁ швидкості молотка u₁ відносно нормалі (рис. 2) після удару визначається з рівняння:

Оскільки геометричні параметри молотків подрібнювача вибрані з умови зрівноваження їх на удар, приймаємо припущення, що зменшення кутової швидкості молотків після удару (формула 4) виникає за рахунок їх відхилення від радіального положення на деякий кут, але реакції від удару не передаються на вісь підвісу молотків, і, відповідно, на вал ротора. В результаті цього змінюється момент інерції ротора. Ця зміна оцінюється коефіцієнтом нерівномірності по моменту інерції ротора, який залежить, як від маси молотка так і від маси гілки (рис. 3). Під час подрібнення гілок з максимальною масою 0,5 кг, допустима нерівномірність 0,004...0,008 забезпечується при збільшенні маси молотків до 3,7...5,0 кг (110 рад/с), тобто ця межа мас є раціональною. Згідно раніше обґрунтованих геометричних розмірів і наведених меж масу молотка приймаємо 4,5 кг, яка відповідає його товщині 0,012 м. На рис. 4 показано робочий орган розробленого подрібнювача гілок з обґрунтованими раціональними геометричними розмірами.

Таким чином, відповідно раніше обґрунтованим параметрам молотка та ротора, момент інерції молотка навколо центру обертання ротора -1,5 кг·м²; момент інерції одного ротора навколо його осі обертання -6,367 кг·м².

Напруження, які виникають у гілці в зоні удару при її подрібненні, залежать від імпульсу сили, що визначається силою удару Р_max і тривалістю її дії, яка в свою чергу пов'язана зі швидкістю руху молотка. Тобто руйнування деревини проходить при певній швидкості молотка, яка повинна перевищувати руйнівну швидкість (V_р), а остання залежить від міцнісних властивостей матеріалу. Враховуючи, що найбільшу міцність гілка має при розділенні її поперек волокон, а також слабу закріпленість чергової гілки у валку зрізаних гілок в момент її контакту з молотком, руйнівна швидкість удару поперек волокон гілки визначалась з урахуванням припущень: гілка розглядається як балка рівного перерізу з незакріпленими кінцями і масою m₂; швидкість гілки до удару; початкова швидкість співударяння молотка з гілкою дорівнює нормальній складовій абсолютної швидкості молотка (див. рис. 2); маса молотка m₁ приведена до точки удару; удар є нецентральним, тобто центри мас молотка і гілки не знаходяться на загальній нормалі, яка проведена в точці контакту.

Енергетичним методом, який базується на припущенні, що кінетична енергія, якою тіла володіли до удару, перетворюється в потенціальну енергію деформації, визначено значення максимального зусилля, що виникає на ударній грані молотка при центральному та нецентральному ударах:

де I_с - момент інерції молотка навколо його центра маси;, - відповідно кутові швидкості молотка до і після удару; - найбільший прогин гілки в точці удару від одиничного зусилля, м/Н; _м - коефіцієнт місцевої деформації, м/Н.

Чисельник формули (7) є значення втрат енергії на деформацію гілки, які визначаємо, як різницю між кінетичними енергіями, якими володіє система до і після удару. При нецентральному поперечному ударі молотка подрібнювача по гілці, як по нерухомій і незакріпленій балці, враховувалося, що після удару гілка крім поступального переміщення зі швидкістю здійснює ще і обертальне переміщення з лінійною швидкістю в точці удару -. Швидкість молотка після удару також залежить від зміщення точки удару відносно центра маси гілки С₂. Ударні імпульси взаємодії молотка S₁ та гілки S₂ рівні між собою: (рис. 5).

На підставі теорії удару з врахуванням коефіцієнта відновлення К аналітичні залежності швидкостей молотка та гілки після нецентрального безпідпорного удару мають вигляд:

де l_г, l₁, l₂ - відповідно загальна довжина гілки та відстані від її кінців до точки удару

Залежності швидкості молотка та поступальної швидкості гілки після удару від зміщення точки удару відносно центра маси гілки при різних початкових швидкостях молотка подано відповідно на рис. 6 і 7. З рис. 6 бачимо, що швидкість молотка після удару набуває мінімальних значень при центральному ударі (при 0 м). Це свідчить про максимальний перехід кінетичної енергії молотка в енергію деформації та відкидання гілки. Останнє судження підтверджується також тим, що після такого удару лінійна швидкість гілки набуває свого максимального значення (рис. 7). Аналіз функціонального зв'язку швидкості гілки після нецентрального безпідпорного поперечного удару з молотком від зміщення точки удару відносно центра маси гілки показав, що для гілки з середньостатистичною довжиною 0,3 м при збільшенні від 0 до 0,08 м, поступальна швидкість гілки після удару зменшується від 94,5 м/с до 51,8 м/с (рис. 7), тоді як колова швидкість гілки в будь-якій точці удару навпаки зростає від 0 до 44,2 м/с при 80 м/с (рис. 8). При цьому енергія, яка витрачається на деформацію гілки зменшується із збільшенням величини зміщення точки удару, втрати енергії на надання гілці поступальної швидкості також зменшуються, а втрати енергії на надання гілці обертальної швидкості - навпаки збільшуються. Так при =0 м: 722 Дж, 670 Дж, 0 Дж, а вже при м: 549 Дж, 201 Дж, 147 Дж (рис. 9).

На рис. 10 представлено залежність напруження (яке визначалось по стандартній методиці), що виникає в гілці під час її співударяння з молотком, від зміщення точки прикладання зусилля відносно центра маси гілки С₂ при різних швидкостях обертання молотків ротора (криві 1-4) та значення руйнівного напруження (прямі 5-8) (випадок нецентрального удару при безпідпорному подрібненні деревини, 0,222 кг). Відомо, що при ударній взаємодії молотків з деревиною, опір руйнуванню, тобто руйнівні напруження, при збільшенні швидкості удару - зростають, і тому для різних швидкостей молотків мають різні значення.

З рис. 10 бачимо, що при зміщенні точки прикладання зусилля відносно центра маси гілки, напруження, яке виникає в ній під час удару - зменшується, а це потребує збільшення руйнівної швидкості молотків для створення в гілці напружень більших за. При центральному поперечному ударі для гілки деревини яблуні діаметром 30 мм з незакріпленими кінцями V_р^бц=37 м/с, тоді як при зміщенні точки удару молотка та гілки відносно центра маси на 1/3 її довжини V_р^бн=55 м/с. З врахуванням швидкості шару, що циркулює в камері робоча швидкість молотків V₁ подрібнювача деревини повинна становити близько 84 м/с (=116 рад/с). В цілому при зміщенні точки удару молотка та гілки відносно центра маси на 1/3...1/8 її довжини руйнівна швидкість молотків зростає в 1,48...2,16 рази порівняно з її значенням у випадку центрального удару.

Загальна потужність, яка необхідна для виконання процесу подрібнення деревини двороторним мобільним подрібнювачем гілок становить:

де - відповідно потужність, яка необхідна на: деформацію гілки при нецентральному співударянні її з молотком під час безпідпорного подрібнення деревини (на першому етапі подрібнення - при вході в камеру та безпосередньо в ній); деформацію гілки при підпорному подрібненні деревини (на другому етапі подрібнення з участю контрмолотків); відкидання гілки (надання їй поступальної швидкості) при нецентральному співударянні її з молотком під час безпідпорного подрібнення деревини; відкидання гілки (надання їй лінійної швидкості обертання в точці удару) при нецентральному співударянні її з молотком під час безпідпорного подрібнення деревини; відкидання гілки при підпорному подрібненні деревини (на другому етапі подрібнення з участю контрмолотків); подолання сил тертя частинок циркулюючого шару деревини об навантажені частини молотків при протягуванні та циркуляції маси між поверхнею рекаттерів та молотків; холостий хід подрібнювача.

З врахуванням ступеня подрібнення л, кількості гілок, що потрапляють на подрібнення за одну секунду К_г, енергії, яка витрачається на деформацію гілки при нецентральному співударянні її з молотком під час безпідпорного подрібнення деревини та ймовірності Р_з потрапляння гілок під удари сусідніх рядів молотків на основі закону збереження енергії при ударі визначається потужність, яка необхідна на подрібнення деревини одним ротором. Для безпідпорного подрібнення - при вході в робочу камеру:

де К_г - кількість гілок (штук), поданих за одну секунду до одного ротора:

де q - питома маса валка гілок, кг/м.

Аналогічно визначається потужність, яка необхідна на подрібнення гілок одним ротором за участю контрмолотків на другому етапі подрібнення (підпорне подрібнення):

де - енергія, яка витрачається на деформацію гілки при підпорному подрібненні деревини одним ротором (на другому етапі подрібнення з участю контрмолотків). Значення знайдено енергетичним методом, прирівнявши його до суми максимальних потенціальних енергій загальних та місцевих деформацій, які слід враховувати при динамічних руйнуваннях.

- максимальне зусилля на грані молотка (контрмолотка) при ударі його об гілку в зоні контрмолотків (визначалось експериментальним шляхом: рис. 14).

Потужність, яка необхідна для відкидання гілки під час співударяння її з молотком становить:

а) при нецентральному ударі під час надання гілці поступальної швидкості:

б) при нецентральному ударі під час надання гілці лінійної швидкості обертання в точці удару:

в) при підпорному подрібненні деревини:

де - затрати енергії на відкидання гілки при підпорному подрібненні деревини.

Потужність, яка необхідна для подолання молотком сил тертя частинок циркулюючого шару деревини становить:

де V_ш - колова швидкість шару, м/с (за даним І.І.Ревенка для стеблових матеріалів); f_т - коефіцієнт тертя руху деревини по сталі.

На рис. 11 представлено гістограму, яка відображає частку складових рівняння балансу потужності від всієї потужності N приводу двороторного подрібнювача гілок при різних швидкостях руху V₁ молотків (Q=1,58 кг/с).

З аналізу гістограми (рис. 11) можна відмітити, що потужність, яка споживається на сам процес подрібнення гілок в залежності від швидкості молотків V₁ становить 16...48 % від загальної потужності. При цьому більший відсоток відповідає меншим швидкостям руху молотків і навпаки. Для раніше обґрунтованої робочої швидкості молотків (V₁=84 м/с), потужність, яка споживається на сам процес подрібнення гілок складає близько 20 % від загальної потужності, що є характерним для молоткових подрібнювачів при їх раціональних режимах роботи.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладена програма досліджень, описані прилади, дослідні установки і методи проведення експериментальних досліджень.

Програмою експериментальних досліджень передбачалось визначення статистичних характеристик розподілу геометричних розмірів і маси гілок, зрізаних під час догляду за кроною дерев в садах ущільненого типу; визначення максимального зусилля, що виникає на ударній грані молотка при перебиванні гілки з використанням контрмолотка від її діаметра d та швидкості робочих органів V₁; встановлення залежності енергетичних і якісних показників роботи подрібнювача деревини від частоти обертання роторів n_р, поступальної швидкості машини V_м, питомої маси валка гілок q та якісних і експлуатаційних показників роботи подрібнювача в реальних умовах саду.

Статистичні характеристики розподілу геометричних розмірів і маси гілок, зрізаних під час догляду за кроною дерев в яблуневих садах ущільненого типу, визначали протягом 2002-2004 р.р. в дослідному господарстві Інституту садівництва УААН „Новосілки” Київської області. Основними параметрами валка зрізаних гілок є його ширина b_в; висота h_в; маса одного погонного метра валка q, кг/м. Геометричними характеристиками гілок були їх максимальна довжина L_i і діаметр d_i (окремо для кожного розгалуження) (рис. 12).

Величина зусилля , що виникає на ударній грані молотка при перебивання однієї гілки з використанням контрмолотка від її діаметра d та швидкості робочих органів V₁ визначалась безпосередньо на спеціально дообладнаному експериментальному зразку подрібнювача гілок в інженерному центрі Інституту садівництва УААН з використанням спеціальних приладів та обладнання для тензометрування. Під час динамічних досліджень діаметр гілки вибирався в межах від 10 до 30 мм з інтервалом 10 мм, а швидкість молотків змінювалась від 37 до 97 м/с з кроком 30 м/с.

Якісні та енергетичні показники процесу подрібнення гілок плодових дерев визначалися в ґрунтовому каналі ННЦ „ІМЕСГ” УААН (смт. Глеваха) з використанням дослідного зразка розробленої машини. При цьому частота обертання роторів подрібнювача n_p становила 8,1; 14,6; 21,1 с^-1, поступальна швидкість машини V_м змінювалась від 0,47 до 0,79 м/с з кроком 0,16 м/с, а питома маса валка гілок q складала 2; 2,4; 2,8 кг/м. Цим було досягнуто подачу гілок Q від 0,94 до 2,18 кг/с.

Реєстрацію досліджуваних величин та контроль змінних факторів в ґрунтовому каналі здійснювали за допомогою цифрового тахометра ТЦ-3М, трьохфазного самопишучого кіловатметра Н-395 і тахометра ТХ-10Р.

Методом хронометражу визначалась продуктивність подрібнювача та коефіцієнт використання часу зміни. Для визначення вказаних залежностей, нами використана методика математичного планування багатофакторних експериментів з дисперсійним і регресійним аналізом. За допомогою програми STAT та STATISTICA-6 були складені відповідні рівняння регресії.

У четвертому розділі „Аналіз результатів експериментальних досліджень” наведено основні експериментальні результати.

В результаті обробки статистичних характеристик розподілу геометричних розмірів та маси гілок, зрізаних під час догляду за кроною дерев саду ущільненого типу, одержані наступні результати (таблиця 1). За нашими дослідженнями, погонна маса валка зрізаних гілок коливається від 1,6 до 2,8 кг/м (середня q=2,2 кг/м). В перерахунку на 1 га, в залежності від схеми посадки, маса зрізаної деревини складає 2550...5625 кг/га (середня U=4765 кг/га). Максимальна маса гілки m_г не перевищує 0,5 кг, а діаметр - 30 мм. Заміряні діаметри гілок найкраще відповідають логарифмічнонормальному закону розподілу (рис. 13, б), а довжини - гамма закону (рис. 13, а).

В результаті обробки даних тензометрування під час визначення значення максимального зусилля , що виникає на ударній грані молотка (контрмолотка) при перебиванні гілки з використанням контрмолотка в залежності від її діаметра d, та швидкості робочих органів V₁ знайдено у вигляді рівняння регресії:

Графічне його відображення у вигляді поверхні відгуку (рис. 14) показує, що зусилля, яке виникає на ударній грані молотка зростає як зі збільшенням швидкості молотків так і діаметра гілки. Так при підвищенні швидкості обертання молотків від 37 до 97 м/с зусилля зростають від 7080 до 11580 Н (при d=10 мм) та від 23600 до 38600 Н (при d=30 мм) (рис. 14). Вплив швидкості робочих органів на зусилля безпосередньо пов'язаний з тривалістю удару. При зменшенні тривалості удару - в'язкий опір деревини збільшується, що викликає збільшення зусилля.

Отримані наступні рівняння регресії, які дозволяють визначити залежності вмісту подрібнених частинок деревини ? розміром до 150 мм в загальній масі, затрат питомої роботи А на виконання технологічного процесу подрібнювачем, а також енергоємності процесу Е від частоти обертання роторів n_р, поступальної швидкості машини V_м, питомої маси валка гілок q:

Значущі величини складових рівнянь визначені при імовірності 0,95.

Аналізуючи графічні залежності представлених рівнянь регресії можна відзначити, що збільшення частоти обертання роторів від 8 до 18 с^-1, тобто збільшення їх кінетичної енергії і відповідно енергії ударів по гілкам, підвищує ефективність подрібнення і як наслідок, приводить до збільшення долі фракції , що відповідає агровимогам (рис. 15, а). Подальше збільшення частоти обертання викликає зменшення долі цієї фракції. Це пов'язано з ростом швидкості переміщення шару деревини по поверхні рекаттерів, що зменшує їх пропускну спроможність та підвищує масу матеріалу в робочій камері. Якісне подрібнення, що відповідає агровимогам, коли відсоток частинок довжиною до 150 мм складає 80...93 %, досягається при подачі гілок 0,94...1,58 кг/с та при частоті обертання роторів 17...18 с^-1, яка відповідає коловій швидкості молотків V₁=77...82 м/с. Тобто верхня допустима межа пропускної спроможності подрібнювача при дотриманні агровимог становить 1,58 кг/с. При зростанні подачі матеріалу відсоток частинок даного розміру знижується на всіх частотах обертання роторів в зв'язку зі збільшенням маси матеріалу, що надходить в робочу камеру.

Графічно залежність затрат питомої роботи А на виконання технологічного процесу подано на рис. 15, б. Збільшення питомої роботи А на подрібнення при зростанні частоти обертання роторів пристрою обумовлено збільшенням контактних зусиль при зустрічі молотка і гілки та суттєвим зростанням споживаної потужності на вентиляторний ефект машини. При цьому спостерігається підвищення затрат питомої роботи А на подрібнення від 3...5,2 кДж/кг до 11...15 кДж/кг при збільшенні частоти обертання роторів від 12 до 21 с^-1 для V_м=0,79 м/с (рис. 15, б). Величина питомої роботи з ростом подачі деревини поступово спадає, що прямо випливає з формули для її визначення (). Так при частоті обертання роторів n_p=18 с^-1 (V₁=82 м/с) при збільшенні подачі гілок з 1,58 кг/с до 2,18 кг/с питома робота зменшується від 10,6 до 7,4 кДж/кг при V_м=0,79 м/с. Затрати роботи на одержання 1 кг подрібненої деревини при верхній допустимій межі пропускної спроможності подрібнювача - 1,58 кг/с становлять 10,6 кДж (n_p=18 с^-1; V₁=82 м/с).

Залежність енергоємності процесу Е з урахуванням досягнутого ступеня подрібнення представлено на рис. 15, в. Аналізуючи дані залежності, можна відмітити, що під час підвищення частоти обертання роторів в межах від 14 до 19 с^-1 (V₁=63,8...86,6 м/с) при подачі гілок від 1,58 до 2,18 кг/с, енергоємність процесу спадає від 0,632…0,727 до 0,536…0,721 кДж/кг в зв'язку з досягненням робочої швидкості молотків необхідної для ефективного подрібнення гілок, збільшення ступеня подрібнення та із-за зменшення тривалості перебування матеріалу в робочій камері. Подальше зростання частоти обертання роторів приводить до підвищення швидкості переміщення шару деревини по поверхні рекаттерів, що зменшує їх пропускну спроможність та підвищує масу матеріалу в робочій камері. Це також викликає зменшення відносної швидкості удару молотків по рухомому матеріалу до значення меншого ніж значення руйнівної швидкості. Останні фактори впливають на збільшення енергоємності процес подрібнення від 0,536...0,721 до 0,540...0,800 кДж/кг. При пропускній спроможності подрібнювача - 1,58 кг/с даний показник складає 0,539 кДж/кг (n_p=18 с^-1; V₁=82 м/с).

Рис. 15. Залежність якісних та енергетичних показників подрібнення від частоти обертання роторів n_р при різній подачі матеріалу Q: 1 - 1,58 кг/с; 2 - 1,9 кг/с; 3 - 2,18 кг/с; при V_м=0,79 м/с: а) залежність відсотку частинок довжиною до 150 мм ; б) залежність затрат питомої роботи А на виконання технологічного процесу; в) залежність енергоємності Е процесу подрібнення деревини.

Раціональний, з точки зору зменшення енергоємності, діапазон частоти обертання роторів від 14 до 19 с^-1 (V₁=63,8...86,6 м/с) практично співпадає зі значеннями руйнівної та робочої швидкості молотків, які були знайдені при теоретичному аналізі (від 55 до 84 м/с), що підтверджує достовірність теоретичних досліджень.

Враховуючи, що якісне подрібнення гілок досягається із збільшенням частоти обертання роторів до n_р=18 с^-1 (V₁=82 м/с) і при цьому забезпечується верхня допустима межа пропускної спроможності подрібнювача (Q=1,58 кг/с), а подальше збільшення частоти понад n_р=19 с^-1 викликає ріст енергоємності процесу подрібнення, для ефективної роботи пристрою доцільно застосовувати саме названі частоти обертання роторів.

Підтвердження достовірності даних теоретичного аналізу на підставі порівняння їх з даними експериментальних досліджень показано на прикладах залежності зміни потужності, яка необхідна на подрібнення деревини N (рис. 16 (а, б)): а) від швидкості молотків V₁ при різних подачах (криві 1; 2 - Q=1,58 кг/с; 3; 4 - Q=2 кг/с); б) від подачі гілок Q при різних швидкостях (криві 1; 2 - V₁=80 м/с; 3; 4 - V₁=60 м/с), побудовані на основі експериментальних даних (криві 2; 4), та одержані розрахунковим шляхом (криві 1; 3) по формулі 11.

Вплив мікрорельєфу ґрунту в міжряддях саду на якість подрібнення гілок вивчався в польових дослідах. За їх результатами було встановлено, що збільшення глибини впадин мікрорельєфу ґрунту в міжряддях саду від 15...25 мм до 60...70 мм погіршує якісні показники подрібнення гілок і відсоток частинок довжиною більше 150 мм зростає до 45 %. Тому для вирівнювання мікрорельєфу доцільно пізньою осінню застосовувати міжрядний обробіток ґрунту дисковою бороною БДВ-2,7 з котками КГВ-1,4. В кращому варіанті при вирівняному мікрорельєфі 80-83 % фракцій подрібнених гілок мають довжину менше 150 мм, що відповідає агровимогам. При такій їх довжині можлива обробка міжрядь без забивання гілками робочих органів культиваторів. Шляхом хронометражу визначена продуктивність подрібнювача за 1 годину чистої роботи, яка склала 0,82-1,00 га/год, а також коефіцієнт використання часу зміни =0,7.

У п'ятому розділі „Техніко-економічна ефективність результатів досліджень у виробництві” наведені експлуатаційні показники та розрахункова економічна ефективність. Застосування розробленого подрібнювача гілок в ущільнених садах за рахунок заміни технологічних операцій збору, вивезення та спалювання зрізаних гілок на їх подрібнення з розкиданням деревини по поверхні ґрунту дає змогу зменшити витрати праці в 1,4 рази, палива в 2,6 рази та приведені експлуатаційні витрати в 1,9 рази, порівняно з існуючою технологією, виключити забруднення оточуючого середовища, поповнити ґрунт органічними і мінеральними добавками. Річний економічний ефект від застосування розробленого подрібнювача гілок в ущільнених садах в порівнянні з існуючою технологією становить - 11604 грн/рік при річному обсязі виробництва 170 га.

Висновки

1. Порівняльний багатокритеріальний аналіз існуючих технологій утилізації гілок плодових дерев, зрізаних під час догляду за їх кроною, свідчить про доцільність застосування технологічного процесу подрібнення гілок з розкиданням деревини по поверхні ґрунту. Спираючись на комплексну техніко-економічну оцінки засобів для подрібнення гілок плодових дерев в садах ущільненого типу можна відмітити, що доцільним є застосування одноступінчастих двороторних подрібнювачів з вертикальними осями обертання роторів, робочими органами яких є шарнірно закріплені молотки.

2. Аналітично встановлено залежність діаметра ротора та параметрів робочої камери мобільного подрібнювача від статистичних характеристик валка зрізаних гілок і поперечного відхилення траєкторії руху агрегату відносно повздовжньої вісі вкладеного валка.

3. Теоретичними дослідженнями встановлено закономірність впливу маси гілки і молотка під час їх співударяння на втрати його кутової швидкості. Коефіцієнт нерівномірності по зміні моменту інерції ротора при подрібненні гілок зменшується із збільшенням маси молотків та їх швидкостей.

4. З врахуванням місцевих і загальних деформацій, що виникають при ударі, фізико-механічних властивостей гілки і молотка в зоні удару, їх мас та швидкостей з використанням енергетичного методу отримана математична модель вище перерахованих параметрів та контактного зусилля, яке виникає при безпідпорному співударянні молотка об гілку у випадку центрального та нецентрального поперечного удару. Аналіз моделі дозволяє обґрунтувати значення руйнівної швидкості руху молотків. При зміщенні точки удару молотка та гілки відносно центра маси на 1/3...1/8 її довжини руйнівна швидкість молотків зростає в 1,48...2,16 рази порівняно з її значенням у випадку центрального удару.

5. На підставі аналітичних досліджень складено рівняння балансу потужності для двороторного мобільного подрібнювача гілок, яке враховує споживану потужність на подрібнення і переміщення матеріалу в робочій камері та вентиляційну дію ротора. З ростом колової швидкості молотків і подачі гілок споживана потужність зростає. Для робочої швидкості молотків, потужність, яка споживається на сам процес подрібнення гілок складає близько 20 % від загальної потужності, що є характерним для молоткових подрібнювачів при їх раціональних режимах роботи. Ці дані підтверджуються експериментальними дослідженнями.

6. Експериментальними дослідженнями встановлено залежність якісного показника подрібнення гілок від частоти обертання роторів, поступальної швидкості машини і питомої маси валка гілок. Аналіз її показав, що якісне подрібнення гілок (при якому відсоток частинок довжиною до 0,15 м сягає 80 % і більше, що відповідає агровимогам), забезпечується при пропускній спроможності подрібнювача до 1,58 кг/с та частоті обертання роторів 18 с^-1, яка є раціональною.

7. Аналіз отриманих в результаті експериментальних досліджень залежностей затрат питомої роботи та енергоємності процесу подрібнення гілок від частоти обертання роторів, поступальної швидкості машини і питомої маси валка гілок показав, що при верхній допустимій межі пропускної спроможності - 1,58 кг/с і якості подрібнення, яка відповідає агровимогам, мінімальна енергоємність складає 0,536 кДж/кг. Цей показник досягається при робочому режимі роторів (19 с^-1), який практично співпадає з раціональною частотою їх обертання. За цих умов затрати питомої роботи на одержання 1 кг подрібнених гілок з врахуванням холостого ходу подрібнювача становлять 10,6 кДж.

8. Впровадження технології утилізації зрізаних гілок з використанням розробленого подрібнювача деревини дасть змогу зменшити витрати праці в 1,4 рази, палива в 2,6 рази та знизити приведені експлуатаційні витрати в 1,9 рази порівняно з існуючою технологією, яка передбачає спалювання деревини, дозволить виключити забруднення навколишнього середовища і використати деревину як органічне добриво або мульчу. Річний економічний ефект від застосування розробленого подрібнювача гілок в ущільнених садах в порівнянні з існуючою технологією становить - 11604 грн/рік при річному обсязі виробництва 170 га.

Результати досліджень передані для впровадження у виробництво в Відділ наукових розробок машин для садів Інституту садівництва УААН.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Фришев С.Г., Сарана В.В. Аналіз технології утилізації зрізаних в саду гілок // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць Національного аграрного університету. К.: НАУ, 2003. Том XV. С. 298-302. (Проведений аналіз та порівняльна оцінка технологій утилізації гілок плодових дерев. Обґрунтовано вибір раціональної технології за декількома критеріями).

2. Фришев С.Г., Сарана В.В. Класифікація подрібнювачів гілок плодових дерев та вибір напрямку досліджень // Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий: Сборник научных трудов Керченского морского технологического института. Вып. 5. Керчь: КМТИ, 2003. С. 140-146. (Складена класифікація подрібнювачів гілок плодових дерев, проведений їхній аналіз та порівняльна оцінка).

3. Фришев С.Г., Сарана В.В. Експериментальні дослідження якісних показників подрібнення гілок плодових дерев // Науковий вісник Національного аграрного університету. Вип. 73. Ч. 1. Київ, 2004. С. 209-212. (Побудовані рівняння регресії, визначені раціональні технологічні і кінематичні параметри подрібнювача гілок плодових дерев).

4. Сарана В.В. Експериментальні дослідження енергетичних показників подрібнення гілок плодових дерев // Науковий вісник Національного аграрного університету. Вип. 73. Ч. 2. Київ, 2004. С. 138-142.

5. Сарана В.В. Теоретичне обґрунтування геометричних параметрів одноступінчастого подрібнювача гілок плодових дерев // Науковий вісник Національного аграрного університету. Вип. 80. Ч. 1. Київ, 2005. С. 121-125.

6. Деклараційний патент UA №69288, кл. ВО2С18/06. Подрібнювач деревини та інших рослинних залишків / Фришев С.Г., Сарана В.В., Бабій В.П. №20031212306; Заявлено 24.12.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8.