Обгрунтування параметрів технологічного процесу і робочих органів бурякозбирального агрегату з системним трактором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аграрний університет

УДК 631.356.2

05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обгрунтування параметрів технологічного процесу і робочих органів бурякозбирального агрегату з системним трактором

Ямков Олександр Володимирович

Київ-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Войтюк Дмитро Григорович, Національний аграрний університет, директор Навчально-наукового технічного інституту

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Булгаков Володимир Михайлович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри механіки і теорії механізмів та машин

- кандидат технічних наук, доцент Паньків Марія Романівна, Тернопільський державний технічний університет ім. Івана Пулюя, доцент кафедри комп'ютерних технологій в машинобудуванні

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

Захист відбудеться "22" травня 2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041 м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15, корпус 3, аудиторія 65

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041 м. Київ, вул. Героїв Оборони, 13, корпус 4, кімната 28

Автореферат розісланий " 20 " квітня 2007 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Фришев С.Г.

Анотації

Ямков О.В. Обгрунтування параметрів технологічного процесу і робочих органів бурякозбирального агрегату з системним трактором.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет, Київ, 2007.

Дисертаційна робота спрямована на вирішення задачі покращення якості роботи і зменшення витрат енергії при збиранні цукрових буряків шляхом удосконалення збиральної техніки.

Складені математичні моделі функціонування бурякозбиральних агрегатів з тягово-штовхаючою і штовхаючою схемами компоновки, а також процесів взаємодії копіра гичкозрізувального апарата з коренеплодами цукрових буряків і лемеша коливного копача з грунтом.

Обґрунтовані схема компоновки бурякозбирального агрегату та ширина колії трактора, а також форми профілів робочих поверхонь копіра в двомірному і лемеша в тримірному просторах.

Експериментальними дослідженнями встановлена більш висока точність копіювання рядків коренеплодів агрегатом з штовхаючою схемою компоновки, зменшення енергоємності робочих процесів копіра і лемеша з обґрунтованими профілями робочих поверхонь на 6...7 % порівняно з серійними зразками і енергетичних витрат при роботі агрегату з удосконаленими робочими органами майже на 10 %.

Ключові слова: Якість, енергоємність, агрегат, компоновка, колія, копір, леміш, робоча поверхня.

Ямков А.В. Обоснование параметров технологического процесса и рабочих органов свеклоуборочного агрегата с системным трактором.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Национальний аграрный университет, Киев, 2007.

Диссертационная работа направлена на решение задачи улучшения качества работы и уменьшения затрат энергии при уборке сахарной свеклы путем совершенствования уборочной техники.

На основе анализа технологий производства сахарной свеклы, а также конструкций и типов свеклоуборочных машин, сделан вывод о необходимости дальнейшего развития в сельскохозяйственном машиностроении направления по созданию высокопроизводительной, отвечающей агротехническим требованиям по качественным показателям работы и одновременно недорогой прицепной и навесной свеклоуборочной техники для работы в агрегатах с новыми пропашными системними тракторами или энергетическими средствами. В связи с этим необходимо проведение исследований в направлении обоснования режимов работы и конструктивних параметров свеклоуборочных машинно-тракторных агрегатов и снижения энергоемкости их рабочих процессов.

Составлены математические модели функционирования свеклоуборочного агрегата с тягово-толкающей и толкающей схемами компоновки, в результате решения которых обоснованы схема компоновки агрегата и ширина колеи трактора.

Составлены математические модели процессов взаимодействия копира ботвосрезающего аппарата с корнеплодами сахарной свеклы с использованием прямого метода вариационного исчисления и лемеха колебательного копача с почвой с использованием прямого метода вариационного исчисления и метода конечних элементов, в результате решения которых обоснованы формы профилей рабочих поверхностей копира в двухмерном пространстве и лемеха в трехмерном пространстве.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при толкающей схеме компоновки свеклоуборочного агрегата, в сравнении с тягово-толкающей, достигается более высокая точность копирования траектории рядков корнеплодов, что способствует уменьшению на 3,2 % их потерь при уборке. Точность копирования траектории рядков корнеплодов также повышается при уменьшении ширины колеи трактора, в частности с 2950 мм, что используется в "колейной" технологи производства сахарной свеклы, до 1800мм.

Усовершенствование геометрического профиля рабочей поверхности копира ботвосрезающего аппарата способствует снижению энергоемкости процесса копирования корнеплодов на 6...7 %. Тяговое сопротивление экспериментального образца лемеха с теоретически обоснованным профилем рабочей поверхности почти на 7% меньше тягового сопротивления серийного лемеха. Применение экспериментальных образцов копиров и лемехов на свеклоуборочной машине KR-6 позволяет уменьшить энергетические затраты при работе агрегата почти на 10 %.

Ключевые слова: Качество, энергоемкость, агрегат, компоновка, колея, копир, лемех, рабочая поверхность.

Yamkov O.V. Substantiation of technological process parameters and working parts of sugar-beet harvesting aggregate with system tractor. - Manuscript.

Candidate of technical sciences dissertation on specialty 05.05.11 - machines and means of agricultural production mechanization. National Agricultural University, Kyiv, 2007.

Dissertation work is aimed at solving the problem of improving work quality and decreasing energetic expenses under sugar-beet harvesting by means of harvesting techniques improvements.

Mathematical models of sugar-beet harvesting aggregate functioning with pull-push and push schemes of composition as well as the processes of interaction of beet tops cutting machine feeler and sugar-beet root, and the processes of interaction of lifter point oscillatory ploughshare and soil were made up.

Scheme of composition of sugar-beet harvesting aggregate 3wheel track width of a tractor as well as the profile form of working surface of beet tops cutting machine feeler in two-dimensional space and the form of profile of working surface of lifter point oscillatory ploughshare in three-dimensional space were substantiated.

Higher accuracy of copying rows of sugar-beet roots trajectory by aggregate with push schemes of composition, decreasing power intensity of working processes of the feeler and the ploughshare with substantiated working surface profile for 6…7 % comparing with production sample, and decreasing energy consumption for the work of the aggregate with improved work parts for nearly 10 %.

Key words: Quality, power intensity, aggregate, arrangement, wheel track, feeler, ploughshare, working surface.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток високопродуктивної причіпної і начіпної вітчизняної бурякозбиральної техніки вимагає вирішення ряду важливих задач, зокрема зниження енергоємності робочих процесів бурякозбиральних машин і підвищення якості їх роботи. Перша задача - зниження енергоємності робочих процесів бурякозбиральних машин, завжди була актуальною в галузі сільськогосподарської техніки, особливо з огляду на те, що збирання цукрових буряків є одним з найбільш енергоємних процесів у рослинництві. В цілому ж в Україні в галузі сільськогосподарського виробництва затрати праці і енергії в 3-4 рази перевищують рівень таких країн як США, Німеччини, Франції. Стосовно другої задачі можна відмітити, що при впровадженні у виробництво нових системних (інтегральних) тракторів та існуючих різних схемах компоновки бурякозбиральних агрегатів (тягово-штовхаючій або штовхаючій) з відповідними їм режимами роботи, а також можливості при цьому роботи трактора з шириною колії 1800 або 2950 мм, особливо в "колійній" технології виробництва цукрових буряків, визначення найбільш прийнятних, з точки зору зменшення пошкоджень і втрат коренеплодів при збиранні, схеми компоновки бурякозбирального агрегату і ширини колії його трактора є також актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з програмою науково дослідних робіт Національного аграрного університету і його підрозділу-кафедри сільськогосподарських машин, а саме з темами "Механіко- технологічні основи застосування системи точного землеробства (ТЗ) в агропромисловому комплексі України" (номер державної реєстрації 0198U004123) і "Оптимізація механізованих технологій та удосконалення сільськогосподарських машин для системи точного землеробства" (номер державної реєстрації 0100U002908), та є складовою частиною вирішення важливої науково-технічної проблеми з розробки й впровадження у виробництво причіпних бурякозбиральних машин, зменшення енергоємності їх робочих процесів і підвищення якості роботи в рамках цільової комплексної Державної науково-технічної програми "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в промисловості, енергетиці та агропромисловому комплексі" на 2002-2006 р.р., затвердженої Міністерством освіти і науки України.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень - покращення якості роботи і зменшення витрат енергії при збиранні цукрових буряків шляхом удосконалення збиральної техніки.

Для досягнення означеної мети намічено вирішити наступні задачі:

- провести аналіз конструкцій і робочих процесів гичкозрізувальних та викопуючих органів, а також сучасних типів бурякозбиральних машин;

- обґрунтувати аналітично схему компоновки і конструктивні параметри бурякозбирального машинно-тракторного агрегату шляхом розробки математичної моделі його функціонування;

- розробити математичну модель процесу взаємодії копіра гичкозрізувального апарата з коренеплодом цукрових буряків;

- розробити математичну модель процесу взаємодії лемеша коливного (вібраційного) копача з грунтом;

- перевірити адекватність результатів теоретичних досліджень;

- обґрунтувати економічну ефективність впровадження у виробництво результатів досліджень.

Об'єкт досліджень. Процеси руху по поверхні поля бурякозбиральних агрегатів з системними тракторами, взаємодії копірів гичкозрізувальних апаратів з коренеплодами цукрових буряків, взаємодії лемешів коливних копачів з грунтом.

Предмет досліджень. Вплив схем компоновки і конструктивних параметрів бурякозбиральних агрегатів на величину відхилень їх траєкторій руху від осьових лінії рядків коренеплодів, залежність величини роботи, затраченої на копіювання коренеплодів цукрових буряків при збиранні гички, від профілю робочої поверхні і конструктивних параметрів копіра, величини тягового опору лемеша коливного копача від профілю його робочої поверхні.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження виконувались на основі механіко-математичного моделювання функціонування бурякозбирального агрегату, а також застосування прямого методу варіаційного числення і методу кінцевих елементів. Експериментальні дослідження виконувались за стандартними та розробленими методиками із застосуванням методу планування багатофакторного експерименту, тензометричних засобів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше розроблені математична модель для обґрунтування раціонального профілю робочої поверхні копіра гичкозрізувального апарата з використанням прямого методу варіаційного числення, а також математична модель для обґрунтування раціонального профілю робочої поверхні лемеша коливного копача з використанням прямого методу варіаційного числення і методу кінцевих елементів. Одержала подальший розвиток теорія динаміки функціонування бурякозбиральних агрегатів, складених на основі системних тракторів типу ХТЗ-160 з різними схемами компоновки на них збиральних машин.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовані схема компоновки і конструктивні параметри бурякозбирального машинно-тракторного агрегату, а також профілі робочих поверхонь копіра гичкозрізувального апарата і лемеша коливного копача, досягнуто зменшення енергоємності процесів копіювання коренеплодів та їх викопування на 7...10 % порівняно з серійними робочими органами, зменшення втрат коренеплодів при збиранні до 0,6 %, а також зменшення витрат палива на 1га майже на 8 %.

Бурякозбиральна машина KR-6 з удосконаленими робочими органами впроваджена у колійній технології виробництва цукрових буряків у дослідному господарстві Інституту цукрових буряків "Пархомівське", Краснокутського району, Харківської області на площі 120 га в 2004 - 2005 роках, з річним економічним ефектом близько 25 тис. грн. на один агрегат. Результати досліджень також прийняті до впровадження ВАТ " БОРЕКС", м. Бородянка, Київської області.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в проведенні аналізу існуючих технологій виробництва цукрових буряків, конструкцій і робочих процесів гичкозрізувальних та викопуючих органів, а також сучасних типів бурякозбиральних машин; складанні і вирішенні математичних моделей руху бурякозбиральних агрегатів на основі системного трактора, взаємодії копіра гичкозрізувального апарата з коренеплодами цукрових буряків, взаємодії лемеша коливного копача з ґрунтом; проведенні експериментальних лабораторних і лабораторно-польових досліджень, проведенні статистичної обробки експериментальних даних і аналізі одержаних результатів; проведенні розрахунку економічної ефективності від впровадження у виробництво результатів наукових досліджень. бурякозбиральний трактор колія витрати

Апробація результатів досліджень. Основні положення виконаних досліджень доповідались і одержали схвалення на VI Міжнародній науковій конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (Київ, 2005), конференції науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів Навчально-наукового технічного інституту Національного аграрного університету (Київ, 2006), II Міжнародній науково-практичній конференції "Перспективи застосування технологій точного землеробства" (Київ, 2006), VII Міжнародній науковій конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" (Мелітополь, 2006).

Публікації. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень викладені в чотирьох наукових статтях у фахових виданнях, з яких дві одноосібні, та одному авторському свідоцтві.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел та додатки. Загальний обсяг дисертації становить 200 сторінок. Основний зміст викладений на 140 сторінках друкованого тексту. Дисертація містить 56 рисунків, 30 таблиць. Список використаних літературних джерел містить 187 найменувань.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі "Стан і проблеми збирання цукрових буряків" зазначено, що удосконалений варіант української інтенсивної технології виробництва цукрових буряків - "колійна" (харківська) технологія, яка базується на застосуванні системних тракторів класу 3 - типу ХТЗ-160 і вітчизняних сільськогосподарських машин, на всіх технологічних операціях є менш трудомісткою і більш високопродуктивною, а за показником прямих затрат - дешевшою, порівняно з існуючою технологією, яка базується на застосуванні тракторів класу 1,4 і 2,0 - МТЗ-80 або Т-70С за однакового рівня урожайності. При цьому збирання цукрових буряків за дво-трифазними технологіями є більш економічним альтернативним варіантом комбайновому збиранню. Крім того, у вологих і перезволожених умовах дво- трифазні технології збирання з укладанням вороху коренеплодів у валки залишаються єдиним технологічно спроможним варіантом збирання.

Розробці і створенню засобів механізації збирання цукрових буряків, зокрема робочих органів бурякозбиральних машин, присвячені роботи багатьох вчених, зокрема П.М. Василенка, А.А. Василенка, Л.В. Погорілого, В.В. Брея, М.В. Татьянка, В.М. Булгакова, Р.Б. Гевка та ін.

В конструкціях сучасних вітчизняних і зарубіжних бурякозбиральних машин застосовуються різноманітні типи гичкозбиральних і викопуючих робочих органів. Найбільш широкого застосування набули гичкозрізувальні апарати з гребінчастим пасивним копіром з прямолінійною, криволінійною і ступінчастою формами робочої поверхні, а також лемішні коливні копачі. Істотного зниження питомої енергоємності процесу збирання коренеплодів цукрових буряків можна досягти, насамперед, за рахунок застосування менш енергоємних викопуючих робочих органів.

Аналіз літературних джерел показав, що застосування потужних самохідних бурякозбиральних комбайнів забезпечує скорочення числа проходів агрегатів по полю, економію на 30...40 % палива та підвищення продуктивності праці. Але із-за високої вартості, складності і громіздкості самохідні комбайни недоступні для переважної більшості виробників цукрових буряків, що викликає необхідність першочергового розвитку в Україні комплексів причіпних і начіпних машин для агрегатування з універсальними енергозасобами. При цьому необхідно вирішувати задачу підвищення точності спрямування бурякозбиральних агрегатів по рядках коренеплодів із-за відсутності в них автоматичних керуючих пристроїв, якими обладнані самохідні комбайни.

У другому розділі "Теоретичні дослідження з вдосконалення засобів механізації збирання цукрових буряків" наведені результати теоретичних досліджень з визначення раціональної схеми компоновки і конструктивних параметрів бурякозбирального агрегату шляхом складання і аналізу математичних моделей функціонування агрегатів з тягово-штовхаючою і штовхаючою схемами компоновки і відповідними режимами роботи, а також обгрунтування профілю робочої поверхні копіра і визначення профілю мінімальної енергоємності робочої поверхні лемеша коливного копача.

При визначенні раціональної схеми компоновки і конструктивних параметрів бурякозбирального агрегату його рух розглядався як рух твердого тіла в горизонтальній площині, тобто плоско-паралельний рух, який описується рівнянням динаміки Лагранжа другого роду.

Для складання еквівалентної схеми приймали, що рух агрегату здійснюється в нерухомих декартових координатах OXYZ. Осі OX і OY лежать в горизонтальній площині, вісь OZ спрямована вертикально вгору, а напрямок руху агрегату співпадає з напрямком осі OX. З агрегатом пов'язували рухомі декартові координати aX₀Y₀Z₀, де вісь aZ₀ також спрямована вертикально вгору.

Для еквівалентної схеми прийняті такі позначення: - реакції грунту відповідно на ліве і праве передні опорні колеса бурякозбиральної машини; - складові результуючих реакцій грунту відповідно на ліве і праве задні опорні колеса бурякозбиральної машини; і- складові результуючих реакцій коренеплодів на гичкозрізувальні апарати; і - складові результуючих реакцій грунту на викопуючі робочі органи; і - складові результуючих реакцій грунту на задні відповідно ліве і праве колеса трактора; і - складові результуючих реакцій грунту на напрямні відповідно ліве і праве колеса трактора; l_M - ширина міжрядь цукрових буряків; C - центр мас агрегату; a - полюс - фіксована точка агрегату; l₁, l₂, ..., l₇, l_K, l_a, l, 2d - конструктивні параметри агрегату; - курсовий кут; і - кути повороту відповідно лівого і правого напрямних коліс трактора.

При складанні диференційних рівнянь руху агрегату як узагальнені координати приймались координати x, y полюса a і курсовий кут .

Система рівнянь, яка описує плоско-паралельний рух агрегату з штовхаючою схемою компоновки, має такий вигляд:

(1)

де

,

k - коефіцієнт пропорційності.

За такою ж методикою, як система рівнянь (1), одержана система рівнянь, яка описує плоско-паралельний рух агрегату з тягово-штовхаючою схемою компоновки.

Обидві системи диференційних рівнянь розв'язувались для початкових умов =0, x=0, у=0, і . В результаті їх розв'язання одержані значення курсового кута іпоперечного зміщення у для машинно-тракторних агрегатів відповідно з тягово-штовхаючою і штовхаючою схемами компоновки, залежно від їх маси, положення центра мас, а також ширини колії трактора. Графічні зображення цих залежностей представлені на рис. 2, 3, 4.

Аналіз розв'язків систем диференційних рівнянь показав, що штовхаюча схема компоновки бурякозбирального агрегату забезпечує меншу, порівняно з тягово-штовхаючою схемою, величину поперечного зміщення y відносно напрямку руху як при зміні його маси, так і при зміні положення центра мас, майже на 33 %. Збільшення ширини колії трактора як при тягово-штовхаючій, так і при штовхаючій схемі компоновки агрегату призводить до збільшення значень як курсового кута , так і поперечного зміщення y.

При цьому значення курсового кута і при тягово-штовхаючій, і при штовхаючій схемі компоновки із збільшенням ширини колії з 1,35 до 2,95 м збільшуються практично на однакову величину - майже на 13 %. Величина поперечного зміщення y із збільшенням ширини колії з 1,35 до 2,95 м при тягово-штовхаючій схемі компоновки збільшується на 8 %, а при штовхаючій - на 13,5 %.

Для обгрунтування профілю робочої поверхні копіра гичкозрізувального апарата використовувався прямий метод варіаційного числення. При цьому робоча поверхня копіра з прикладеними силами у вигляді кривої ОС, з початковою О і кінцевою С точками, розглядалась в рухомій системі координат ХОZ.

q - сила тиску коренеплода на робочу поверхню копіра; qf - сила тертя робочої поверхні рухомого копіра по коренеплоду, де f - коефіцієнт тертя металевої робочої поверхні копіра по коренеплоду; - кут між дотичною до профілю ділянки підйому в точці прикладання сили q і горизонталлю; - кут між дотичною до профілю ділянки підйому в початковій точці О прикладання сили q і горизонталлю.

Варіаційна задача формулюється так: серед множини кривих, які проходять через дві фіксовані точки, при заданому куті їх виходу з початкової точки, знайти таку криву, яка відповідає профілю мінімальної енергоємності робочої поверхні копіра. За показник енергоємності приймалась робота , яку необхідно виконати при переміщенні копіювального пристрою під час копіювання копіром головок коренеплодів на шляху О₁С = xk. Математичну модель процесу взаємодії копіра гичкозрізувального апарата з коренеплодом цукрового буряка одержали у вигляді функціонала для визначення роботи :

, (2)

де c_п - жорсткість пружини копіювального пристрою; h_c - попередній натяг пружини; L - робочий натяг пружини при підйомі копіра на коренеплід в процесі копіювання; m - маса рухомих частин копіювального пристрою; g - прискорення вільного падіння.

Форму профілю робочої поверхні представляємо рівнянням, яке задовольняє умовам постановки задачі, у вигляді многочлена:

, (3)

де C₁ і C₂ - коефіцієнти, які визначають профіль робочої поверхні копіра.

Після підстановки рівняння (3) в функціонал (2) задача зводиться до дослідження функції на екстремум для визначення коефіцієнтів C₁ і C₂ . Маємо:

(4)

де i = 1; 2.

Розв'язавши систему інтегральних рівнянь (4), визначимо коефіцієнти C₁ і C₂.

Для знаходження числових значень коефіцієнтів C₁ і C₂ приймаємо такі значення параметрів копіювального пристрою гичкозбиральної машини БМ-6Б: = 22; хk = 0,3 м; zk = 0,115 м; m = 5 кг; f = 0,5; hc = 0,25 м; L= 0,04 м; cп = 10 000 Н/м.

Коефіцієнти С₁ і С₂ для існуючого профілю ОС робочої поверхні копіра гичкозбиральної машини БМ - 6Б визначались шляхом апроксимації кривої, яка описує цей профіль. Рівняння кривої, яка описує існуючий профіль робочої поверхні копіра, має такий вигляд:

, (5)

Рівняння кривої, яке описує профіль мінімальної енергоємності робочої поверхні копіра, при однакових з існуючим , хk, і zk, має такий вигляд:

, (6)

Рівняння кривих, які описують профілі мінімальної енергоємності для випадків = 46, xk = 0,3 м, zk= 0,115 м і = 46, xk = 0,15 м, zk = 0,115 м мають відповідно такий вигляд:

, (7)

, (8)

Розрахункові значення роботи на переміщення копіюючого пристрою, визначені за рівнянням (2), будуть такі: для профілю (5) - 28,80 Нм, для профілю (6) - 27,36 Нм, для профілю (7) - 27,11 Нм, для профілю (8) - 33,58 Нм.

Таким чином, порівняння розрахункових значеннь роботи для існуючого профілю робочої поверхні серійного копіра, а також для профілю мінімальної енергоємності, який має однакові з існуючим значення параметрів, xk і zk, показує, що існуючий профіль має більшу енергоємність процесу копіювання. Збільшення початкового кута похилу копіра не призводить до суттєвого зменшення величини роботи , але має наслідком зміну характеру взаємодії копіра з коренеплодом у початковий момент їх контакту. Тому з аналізу результатів досліджень можна зробити висновок про те, що раціональним профілем робочої поверхні копіра є профіль мінімальної енергоємності 2 з граничними параметрами серійного копіра.

Для визначення профілю мінімальної енергоємності робочої поверхні лемеша коливного копача складаємо математичну модель процесу взаємодії лемеша з грунтом при викопуванні коренеплодів з використанням прямого методу варіаційного числення і методу кінцевих елементів. При цьому леміш з робочою поверхнею ОАВС розглядаємо у рухомій системі координат OXYZ у момент його максимального заглиблення у грунт, приймаючи, що лезо лемеша ОС лежить у площині XOY. За показник енергоємності був прийнятий тяговий опір лемеша при його русі у грунті.

Для знаходження загального опору руху лемеша у грунті спроектуємо його робочу поверхню, профіль якої необхідно визначити і яка в загальному вигляді описується рівнянням , на площину XOZ.

Функціонал для визначення тягового опору лемеша має вигляд:

, (9)

де - проекція нормального питомого тиску грунту на елементарну площадку, - проекція сили тертя qf на напрямок руху.

Варіаційна задача формулюється так: з множини поверхонь , які проходять через дві лінії, знайти таку поверхню, яка забезпечить екстремальне значення функціоналу (9). Для її вирішення проекція робочої поверхні лемеша на площину XOY, яка є областю інтегрування функціонала (9), розділялась рівномірним кроком на прості (кінцеві) елементи у вигляді трикутників, в результаті чого одержано 24 елементи і 20 вузлових точок - вузлів.

Кусково-лінійну апроксимацію поверхні, яку необхідно визначити, представляємо лінійною комбінацією базисних функцій

, (10)

де - постійні коефіцієнти,- базисні функції.

Кожна базисна функція повинна бути лінійною, кусково-безперервною, дорівнювати одиниці у вузлах в середині області визначення і нулю - за її межами. Базисні функції повинні бути визначені для всіх m елементів, які мають зв'язок з вузлом К, тобто

, (11)

де - функції форми.

Для знаходження значень коефіцієнтів , які забезпечують функціоналу екстремальне (мінімальне) значення, диференціюємо вираз (9) по і прирівнюємо його до нуля. Одержимо:

, (12)

де .

При розв'язанні системи рівнянь (12) приймаємо: =0,039 м; =0; =0,335 м; =0,096 м; =0,26 м;=0,096 м; =0; =0; ; ;; .

Розв'язавши систему рівнянь (12) знаходимо значення коефіцієнтів і визначаємо профіль робочої поверхні лемеша коливного копача.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" наведена програма експериментальних досліджень, методики проведення лабораторних і лабораторно-польових експериментальних досліджень, описані лабораторні та польові експериментальні установки,

Вивчення впливу схеми компоновки і конструктивних параметрів бурякозбирального агрегату на точність копіювання рядків коренеплодів цукрових буряків проводили в польових умовах, з використанням агрегатів з тягово-штовхаючою і штовхаючою схемами компоновки і різною шириною (1800 і 2950 мм) колії. При цьому визначались величина відхилень траєкторій руху агрегатів від осьової лінії рядків, а також фактична урожайність і втрати коренеплодів.

Енергоємність робочого процесу копіра гичкозрізувального апарата залежно від профілю його робочої поверхні і конструктивних параметрів визначалась в лабораторних умовах, з використанням лабораторної установки, комплекту вимірювальних і реєструючих приладів і оцінювалась за величиною роботи, яку необхідно виконати для переміщення гичкозрізувального апарата в процесі копіювання копіром коренеплоду.

Енергоємність робочого процесу лемеша коливного копача залежно від профілю його робочої поверхні визначалась як в лабораторних умовах в грунтовому каналі, з використанням лабораторної установки, комплекту вимірювальних і реєструючих приладів і оцінювалась за величиною тягового опору, так і в польових умовах, з використанням машинно-тракторного агрегату у складі трактора ХТЗ-16131 і бурякозбиральної машини KR-6, на яку встановлювались комплекти серійних і експериментальних лемешів, і оцінювалась як за величиною тягового опору, так і витратами палива на 1га.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведені результати з впливу режиму роботи і конструктивних параметрів агрегату на точність копіювання рядків цукрових буряків, впливу профілю робочої поверхні копіра гичкозрізувального аппарата на енергетичні показники процесу копіювання, впливу профілю робочої поверхні лемеша коливного копача цукрових буряків на величину його тягового опору.

Аналіз даних експериментальних досліджень з впливу режиму роботи агрегату на точність копіювання рядків цукрових буряків показує, що робота агрегату в режимі штовхання забезпечує вищу точність копіювання ним рядків цукрових буряків, у порівнянні з тягово - штовхаючим режимом роботи, майже у 2 рази за середнім значенням і майже у 4 рази - за дисперсією відхилень траєкторії руху агрегату від осьової лінії рядків. Останнє підтверджує достовірність результатів теоретичних досліджень. Висока точність копіювання рядків цукрових буряків при роботі агрегату в режимі штовхання, порівняно з тягово-штовхаючим режимом роботи, підтверджується також результатами оцінки якості збирання коренеплодів цукрових буряків за показником їх втрат при збиранні: штовхаючий режим роботи агрегату забезпечує зменшення втрат коренеплодів на 3,2 %.

Результати експериментальних досліджень з впливу ширини колії бурякозбирального машинно-тракторного агрегату на точність копіювання рядків цукрових буряків показують, що копіювання агрегатом рядків цукрових буряків при збільшенні ширини колії трактора погіршується. Так при ширині колії трактора 2950 мм, порівняно з шириною колії 1800 мм, маємо збільшення середнього значення відхилень траєкторії руху агрегату від осьової лінії рядків більш ніж на 20 %, а дисперсії-майже у 2 рази, що також є підтвердженням достовірності результатів теоретичних досліджень.

Результати експериментальних досліджень з впливу профілю робочої поверхні копіра гичкозрізувального аппарата на енергетичні показники процессу копіювання наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Результати обробки записів процесу копіювання коренеплодів цукрових буряків зразками копірів з теоретичними профілями робочих поверхонь

Назва зразка копіра	Робота копіювання Аx на шляху xk, Нм
Серійний	2,853
Експериментальний 1	2,669
Експериментальний 2	2,563
Експериментальний 3	4,436

Аналіз даних табл. 1 показує, що для зразка копіра "Експериментальний 1" з теоретично обґрунтованим профілем робочої поверхні робота копіювання коренеплодів Ах майже на 7 % менша порівняно з копіром серійної гичкозбиральної машини БМ-6Б (середні значення роботи копіювання для обох зразків копірів статистично перевірені на суттєвість відмінностей). Середні значення роботи копіювання Ах для зразків копірів "Експериментальний 1" і "Експериментальний 2" суттєво не відрізняються одне від одного, тобто збільшення початкового кута похилу робочої поверхні копіра з 22 до 46° не призводить до суттєвого зменшення роботи копіювання головок коренеплодів. Середні значення роботи копіювання Ах для зразків копірів "Експериментальний 2" і "Експериментальний 3" суттєво відрізняються одне від одного, тобто зменшення значення координати нижньої граничної точки профілю робочої поверхні копіра з 0,3 м до 0,15 м, або довжини копіра, призводить до збільшення роботи копіювання головок коренеплодів майже на 66 %.

З метою перевірки теоретичних результатів з обгрунтування профілю робочої поверхні копіра гичкозрізувального аппарата були проведені дослідження з планування багатофакторного експерименту, в яких досліджувався вплив параметрів копіювального пристрою гичкозрізувального апарата на енергетичні показники процесу копіювання коренеплодів. Діючими факторами були: Х₁ - довжина важелів паралелограмного пристрою, Х₂ - профіль робочої поверхні копіра, Х₃ - жорсткість пружини, Х₄ - попередній натяг пружини. Одержана математична модель, яка зв'язує відгук Y- роботу копіювання Ах з діючими факторами, при їх варіюванні на двох рівнях, у вигляді

Y = 3,291+ 0,227Х₁ + 0,083Х₂ + 0,316Х₃ + 0,034Х₄. (13)

Перевірка значимості коефіцієнтів регресії і адекватності моделі (13) на 5 %-у рівні показала, що всі коефіцієнти значимі, а модель адекватна. Значимість коефіцієнта регресії при факторі Х₂, який характеризує вплив на відгук Y профілю робочої поверхні копіра, вказує на суттєвість впливу даного фактора на величину відгуку Y і є підтвердженням результатів теоретичних досліджень.

Аналіз даних показує, що тяговий опір експериментального зразка лемеша коливного копача з теоретично обґрунтованим профілем робочої поверхні на 7 % менший тягового опору серійного лемеша (середні значення тягового опору для обох зразків копірів статистично перевірені на суттєвість відмінностей).

Результати визначення енергетичних показників роботи бурякозбирального агрегату у складі трактора ХТЗ-16131 і машини KR-6 при встановленні комплектів серійних і експериментальних зразків лемешів наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Енергетичні показники роботи бурякозбирального агрегату при роботі з серійними і експериментальними зразками лемешів

Назва показника	Назва зразка лемеша	% до серійного
	серійний	експериментальний
Тягове зусилля, кН	35,6	32,0	89,9
Витрати палива на 1 га, кг	26,2	23,8	90,8

Аналіз даних табл. 2 показує, що заміна серійних лемешів на експериментальні, з теоретично обґрунтованим профілем робочої поверхні, дозволяє зменшити енергетичні витрати майже на 10 %.

У п'ятому розділі "Економічна ефективність впровадження у виробництво результатів наукових досліджень" розрахунок економічної ефективності результатів досліджень проводився на основі порівняльної оцінки бурякозбиральних агрегатів, які були укомплектовані серійними і експериментальними робочими органами в різних варіантах комплектації, а також агрегатів, які працювали в різних режимах роботи. При цьому враховувалась як ефективність зменшення енергоємності робочого процесу агрегату, зокрема погектарних витрат палива майже на 8 %, так і ефективність зменшення втрат при збиранні цукрових буряків завдяки вибору обґрунтованого режиму його роботи. В цілому річний економічний ефект від застосування бурякозбирального машинно-тракторного агрегату з штовхаючим режимом роботи і експериментальними робочими органами - копірами і лемешами склав, з розрахунку на нормативне річне завантаження 180 год, або 205,2 га, понад 70 тис. грн. на одну машину.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена задача покращення якості роботи і зменшення витрат енергії при збиранні цукрових буряків агрегатами з системним трактором шляхом розвитку динаміки функціонування бурякозбиральних агрегатів та обґрунтування параметрів їх робочих органів.

1. Застосування потужних самохідних бурякозбиральних комбайнів забезпечує скорочення кількості проходів агрегатів по полю, економію на 30 ... 40 % палива та підвищення продуктивності праці. Але по відношенню до збиральних агрегатів, які складені на базі тракторів, самохідні комбайни мають значно більшу вартість, складність, громіздкість і тому для більшості виробників сьогодні вони є недоступними.

Тракторні збиральні агрегати не мають автоматичних пристроїв для забезпечення їх спрямування по рядкам коренеплодів, що призводить до погіршення якості виконання технологічних процесів, мають відносно велику енергоємність, і на сьогоднішній день відсутні результати досліджень з вибору раціональної схеми агрегатування бурякозбиральних машин з сучасними системними тракторами.

2. Встановлено, що заміна тягово-штовхаючої схеми компоновки бурякозбирального агрегату на штовхаючу забезпечує покращення копіювання рядків цукрових буряків і, як наслідок, сприяє зменшенню на 3,2 % втрат урожаю при збиранні.

3. Копіювання рядків цукрових буряків покращується при зменшенні ширини колії трактора, про що свідчить зменшення більш ніж на 20 % середнього значення відхилень траєкторії руху агрегату від осьової лінії рядків, а також майже вдвічі - дисперсії відхилень при зменшенні ширини колії з 2950 до 1800 мм. При цьому питання зменшення ширини колії трактора краще вирішується при роботі агрегату у штовхаючому режимі, так як при цьому колеса трактора переміщуються по зібраній площі.

4. Зменшення на 6...7 % енергоємності процесу копіювання коренеплодів, а відповідно і травмування та вивертання їх з грунту, забезпечується удосконаленням геометричного профілю копіра серійної гичкозбиральної машини з використанням прямого методу варіаційного числення. Раціональний профіль копіра описується рівнянням (6).

5. Встановлено, що удосконалення у трьохмірному просторі профілю лемеша бурякозбиральної машини KR-6 з допомогою прямого методу варіаційного числення і методу кінцевих елементів, дозволило майже на 10 % зменшити енергетичні витрати. Раціональний профіль лемеша описується рівняннями (9), (10) і (11).

6. Збільшення продуктивності бурякозбиральної машини KR-6 і зменшення погектарних витрат палива майже на 8 % досягається заміною серійних копірів і лемешів на обґрунтовані дослідженнями. Економічний ефект від модернізації машини і обґрунтованого режиму роботи бурякозбирального агрегату складає, при нормативному річному завантаженні, понад 70 тис. грн. на одну машину в рік.

7. Бурякозбиральна машина KR-6 з удосконаленими робочими органами впроваджена у "колійній" технології виробництва цукрових буряків у дослідному господарстві Інституту цукрових буряків "Пархомівське", Краснокутського району, Харківської області на площі 120 га в 2004 - 2005 роках, з річним економічним ефектом близько 25 тис. грн. на один агрегат. Результати досліджень також прийняті до впровадження ВАТ " БОРЕКС", м. Бородянка, Київської області.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ямков А.В. К вопросу усовершенствования процесса отделения ботвы от корней сахарной свеклы при уборке.-Сб. науч. трудов "Совершенствование процессов и рабочих органов сельхозмашин, организация и технология ремонта сельхозмашин". - К.: УСХА, 1982.- C. 82-84.

2. Войтюк Д.Г., Ямков О.В. Визначення профілю мінімальної енергоємності робочої поверхні копіра гичкозрізувального апарата.- Науковий вісник Національного аграрного університету. Випуск 92, частина 2.- К.: 2005.- С. 263-269 (Складена математична модель процесу взаємодії копіра гичкозрізувального апарата з коренеплодом цукрового буряка, одержані рівняння профілів робочих поверхонь серійного і експериментальних зразків копірів).

3. Ямков О.В. Визначення профілю мінімальної енергоємності робочої поверхні лемеша коливного копача цукрових буряків // Техніка АПК.-2006. - № 9-10. - С. 55-57.

4. Ямков О.В., Соломка В.О, Ковбаса В.П. Вплив параметрів механізму копіювання гичкозрізувального апарата на енергоємність робочого процесу // Пр. Таврійської держ. агротехн. акад. - Мелітополь, 2006. - Вип. 41. - С. 210-217 (Виконано розрахунок енергоємності процесу копіювання головок коренеплодів копіювальним пристроєм гичкозрізувального апарата гичкозбиральної машини в залежності від його параметрів).

5. А.с. 1662397 СССР. Устройство для удаления ботвы корнеплодов на корню / Н.П. Барабан, Г.Н. Псарев, А.В Ямков (СССР). - №4664673/ 15; Заяв. 16.02.89; Опубл. 15.07.91, Бюл. №26. - 3 с.: ил. (Запропоновано конструкцію ножа гичкозрізувального апарата для видалення гички з коренеплодів на корені у складі зовнішнього і внутрішнього дисків, які обертаються в різні сторони).

Размещено на Allbest.ru

...