Науково-технологічні основи обґрунтування складу та параметрів комбінованих ґрунтообробних знарядь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. ІВАНА ПУЛЮЯ

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ОБГРУНТУВАННЯ СКЛАДУ ТА ПАРАМЕТРІВ КОМБІНОВАНИХ ГРУНТООБРОБНИХ ЗНАРЯДЬ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

САЛО ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ

Тернопіль - 2008

Анотація

Сало В.М. Науково-технологічні основи обґрунтування складу та параметрів комбінованих ґрунтообробних знарядь. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, Тернопіль, 2008.

В роботі представлена модель зміни стану грунту як імовірнісного процесу з урахуванням властивостей грунтів, параметрів робочих органів і експлуатаційних режимів протікання технологічного процесу, яка дає можливість передбачувати закономірність зміни агрегатного складу різних за механічним складом грунтів під дією основних безполицевих робочих органів. Розроблено ряд математичних моделей зміни агрегатного складу грунту під впливом на нього додаткових робочих органів різного типу та запропонована методика визначення аналітичним шляхом загального показника кришення грунту в результаті одночасного впливу на нього основних та додаткових робочих органів комбінованих знарядь, що склало основу для проведення диференціації складу комбінованих грунтообробних знарядь стосовно грунтово-кліматичних умов їх застосування.

Ключові слова: імовірнісний процес, механіко-технологічні властивості, грунти, математичні моделі процесів кришення грунтів, агрегатний склад грунту, основні та додаткові робочі органи, диференціація складу комбінованих ґрунтообробних знарядь.

Аннотация

Сало В.М. Научно-технологические основы обоснования состава и параметров комбинированных почвообрабатывающих орудий. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Тернопольский государственный технический университет им. И. Пулюя, Тернополь, 2008.

В работе представлена модель изменения состояния почвы как вероятностного процесса с учетом свойств почвы, параметров рабочих органов и эксплуатационных режимов прохождения технологического процесса, которая открывает возможность определять закономерности изменения агрегатного состава разных за механическим составом почв под действием основных безотвальных рабочих органов. Разработан ряд математических моделей изменения агрегатного состава почвы под воздействием на него дополнительных рабочих органов разного типа и предложена методика определения аналитическим путем общего показателя крошения почвы в результате одновременного влияния на нее основных и дополнительных рабочих органов комбинированных орудий, что составило основание для проведения дифференциации состава комбинированных почвообрабатывающих орудий применительно к почвенно-климатическим условиям их использования.

Ключевые слова: вероятностный процесс, механико-технологические свойства, почвы, математические модели процессов крошения почв, агрегатный состав почв, основные и дополнительные рабочие органы, дифференциация состава комбинированных почвообрабатывающих орудий.

Summary

Salo V.M. Scientific and technological principles for substantiation of structure and parameters of combined tillage machinery. Manuscript. Dissertation on competition of graduate degree of doctor of engineering sciences on speciality 05.05.11 - machines and facilities of agricultural production mechanization. - Ternopol State Technical University named after I. Pulyuj, Ternopol, 2008.

The model of change of the state of soil is represented in the work as probabilistic process taking into account properties of soil, parameters of working organs and operating modes of technological process passing. The model opens possibility to determine conformities to the change of aggregate structure of soils different in mechanical composition under operation of basic subsurface working organs. It is developed the sequence of mathematical models of aggregate structure change of soil under influence on it of additional working organs of different type. It is offered the method of determination by the analytical way of general index of soil crumbling in the result of simultaneous influence on it of basic and additional working organs of the combined instruments.

In the results of experimental researches it is presented the systematized dependence data of the technological properties of soils different on mechanical composition on their physical-mechanical properties in a boundary possible range of their change. It is grounded the parameters of mutual location of basic working organs in part of the combined instrument for tier treatment of soil. The results of the researches allowed to solve the task of differentiation of combined soil cultivating instruments structure applied to the soil-climatic conditions of their use.

Keywords: a probabilistic process, mechanical-technological properties, soils, mathematical models of soil crumbling processes, aggregate composition of soils, basic and additional working organs, differentiation of combined cultivating instruments structure.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Процеси основного обробітку ґрунту залишаються не тільки найбільш енергоємними в галузі рослинництва, а й в певній мірі, небезпечними з екологічної точки зору. Одною з головних задач основного обробітку ґрунту є створення сприятливих умов для накопичення поживних речовин і, особливо, вологи. Запорукою успішного протікання даних процесів, за твердженням науковців агрономів і ґрунтознавців є однорідний агрегатний склад ґрунту по всій глибині обробітку. Але досягти цього при застосуванні простих грунтообробних знарядь практично не вдається. Так, під час обробітку ґрунту, особливо безвідвальному, максимальні розміри грудок формуються саме на поверхні обробленого поля. Щоб забезпечити однорідний по глибині обробітку агрегатний склад і подрібнити поверхневі крупні грудки доводиться застосовувати додаткові робочі органи. Для виконання даних процесів широко використовуються комбіновані знаряддя, але їх склад, як правило, формується незалежно від грунтово-кліматичних умов де вони будуть застосовуватися. В одному випадку, це призводить до формування глибистої поверхні поля, що потребує додаткових проходів по полю ґрунтообробних знарядь та необґрунтованих затрат енергії. В іншому випадку - до перерозпушування ґрунту, руйнування його агротехнічно-цінних агрегатів, переведення їх в пиловидний стан і знову ж до зайвих затрат енергії. Ефективним шляхом вирішення даної задачі може бути диференціювання складу комбінованих знарядь та їх робочих органів на стадії проектування з урахуванням грунтово-кліматичних умов використання.

За таких умов можливе забезпечення виконання технологічного процесу згідно з агротехнічними вимогами при мінімальних затратах енергії та мінімальному негативному впливі на грунт.

Тому вирішення задач, пов'язаних з розробкою науково-технологічних основ обґрунтування складу комбінованих знарядь, встановлення закономірностей протікання процесів подрібнення ґрунтів, без яких неможливе проведення диференціації їх складу є цілком актуальним і має вагоме народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися в Кіровоградському національному технічному університеті у 1995-2007 рр. відповідно до “Державної програми виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової і переробної промисловості на 1998-2005 рр.” (п. 3.1.5), затвердженої Кабінетом Міністрів України 09.02.1998 року, протокол №5. Дослідження також виконувалися згідно держбюджетним угодам з Міністерством освіти і науки України "Технологічні основи та технічне забезпечення основного безполицевого обробітку ґрунту" № держреєстрації 0100Y003145.

Мета досліджень - підвищення ефективності функціонування комбінованих безполицевих ґрунтообробних знарядь шляхом обґрунтування раціонального набору робочих органів, здатних забезпечувати необхідну підготовку ґрунту згідно агротехнічних вимог з урахуванням грунтово-кліматичних умов використання.

Об'єкт досліджень - умови та закономірності протікання процесів подрібнення різних за механічним складом ґрунтів в результаті впливу на них безполицевих робочих органів.

Предмет досліджень -технічні засоби обробітку ґрунту та їх робочі органи.

Задачі досліджень:

- проаналізувати основні способи обробітку ґрунту та встановити перспективи їх використання в умовах інтенсифікації процесів землеробства;

- виявити основні закономірності зміни агрегатного складу різних за фізико-механічними властивостями ґрунтів під дією безполицевих робочих органів в складі комбінованих знарядь залежно від їх експлуатаційних та конструктивних параметрів;

- розробити моделі для визначення аналітичним шляхом рівня якісного показника подрібнення ґрунту безполицевими робочими органами та методику диференціації складу комбінованих ґрунтообробних знарядь;

- обґрунтувати конструктивні параметри робочих органів та схеми їх взаємного раціонального розташування на ярусних ґрунтообробних знаряддях;

- встановити експериментальним шляхом зв'язок між окремими механіко-технологічними та фізико-механічними властивостями грунтів;

- провести дослідження по виявленню ефективності функціонування запропонованих робочих органів та комбінованих ґрунтообробних знарядь в умовах експлуатації;

- оцінити техніко-економічну ефективність впровадження ґрунтообробних знарядь з диференційованим складом робочих органів.

Методи досліджень. Дослідження процесів зміни стану ґрунтів під впливом робочих органів базувалися на основних положеннях теорії ймовірностей, аналітичної геометрії та теоретичної механіки. Обґрунтування складу комбінованих ґрунтообробних знарядь та конструктивних параметрів їх робочих органів проведено з застосуванням ПЕОМ, прикладних програм "Mathcad". Дослідження механіко-технологічних властивостей ґрунтів виконувалися з застосуванням загальноприйнятих та розроблених методик. При експериментальних дослідженнях процесів кришення ґрунтів та функціонування робочих органів і комбінованих знарядь застосовувалися як відомі так і нові методи і технічне забезпечення, які дозволяли здійснювати динамометрування, відеозаписи, проводити планування багатофакторних експериментів. Обробку дослідних даних здійснено з застосуванням математичної статистики, зокрема регресійного аналізу.

Науковою новизною досліджень є:

-розроблена модель зміни стану ґрунту, як імовірнісного процесу з урахуванням його фізико-механічних властивостей, конструктивних параметрів робочих органів і експлуатаційних режимів обробітку. Моделювання відкрило можливість отримання закономірностей зміни агрегатного складу в шарі ґрунту, обробленому безполицевими плоскорізними робочими органами;

закономірності впливу додаткових робочих органів різного типу на зміну агрегатного складу ґрунту;

запропоновані методи визначення загального показника подрібнення ґрунту одночасно та послідовно діючими робочими органами в складі комбінованих знарядь та методи диференціації складу знарядь на основі даного показника;

теоретично та експериментально обґрунтовані параметри взаємного розташування основних робочих органів в складі комбінованого знаряддя для пошарового обробітку ґрунту, а також експериментально встановлений їх вплив на якісні та енергетичні показники протікання технологічного процесу;

результати експериментальної оцінки агротехнічної і енергетичної ефективності застосування нових способів обробітку ґрунту та засобів їх реалізації;

визначені залежності зміни механіко-технологічних властивостей (граничного опору агрегатів ґрунту руйнуванню стисненням, відносного показника лінійних пластичних деформацій, та твердості ґрунту) різних за механічним складом ґрунтів від їх фізико-механічних властивостей (щільності та вологості).

Результати проведених досліджень лягли в основу розробки оригінальних технічних рішень при конструюванні комбінованих ґрунтообробних знарядь, які захищені патентами (№ 54602, 34591, 34592, 19027, 8911, 50998, 78354, 77568 та ін.).

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики визначення якісного показника - агрегатного складу ґрунту, що дозволяє проектувати нові комбіновані ґрунтообробні знаряддя з диференційованим, стосовно ґрунтів різного механічного складу, підходом до формування набору відповідних робочих органів. Використання таких комбінованих ґрунтообробних знарядь з безполицевими робочими органами, адаптованих до заданих грунтово-кліматичних умов, здатне забезпечити необхідну якість виконання технологічного процесу. Скорочуються також необґрунтовані додаткові затрати енергії при обробітку важких ґрунтів та надмірне, екологічно небезпечне, перерозпушування легких ґрунтів, яке має місце при використанні відомих типових і не адаптованих до умов використання знарядь.

Вихідна науково-технічна документація, яка обумовлює основні конструктивно-технологічні параметри і техніко-економічні показники роботи засобів механізації безвідвального обробітку ґрунту стала основою при розробці комбінованих грунторозпушувачів, що випускаються, чи випускалися серійно ВО “Агромаш” (м. Київ), ВАТ “Червона Зірка”, ТОВ “НіАЛ”, ЗАТ "Кіровоградлітмаш" (м. Кіровоград).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці та апробації комплексної методики обґрунтування складу комбінованих ґрунтообробних знарядь адаптованих до грунтово-кліматичних умов їх використання, розробці та аналізі математичних моделей зміни стану ґрунту під дією плоскорізних робочих органів, як імовірнісного процесу; визначення і закономірностей зміни агрегатного складу ґрунту під дією різних типів додаткових робочих органів, що працюють в складі комбінованих знарядь; обґрунтуванні раціональних конструктивних параметрів ярусно розташованих основних робочих органів; розробці методу визначення загального показника кришення ґрунту сукупністю одночасно та послідовно діючих робочих органів в складі комбінованих знарядь; розробці окремих оригінальних методик та технічного забезпечення експериментальних досліджень і обробки отриманих результатів; розробці конструкторської документації, виготовленні дослідних зразків і організації впровадження в виробництво сімейства ярусних грунторозпушувачів ГРН-3,9, ГРН-2,9, ГРН-1,6, та комбінованих знарядь КВК-3,5, КПУ 4-6 та інших.

Апробація результатів досліджень. Основні положення результатів дисертаційної роботи представлені на міжнародних науково-практичних конференціях: "Проблеми конструювання, виробництва і експлуатації сільськогосподарської техніки" (Кіровоградський національний технічний університет, 1997...2007рр.), "Сучасні проблеми землеробської механіки" (ХДТУСГ, 2003 р.), "Технічний прогрес в АПК" (ХНТУСГ, 2006 р., Національний науковий центр" Інститут механізації та електрифікації сільського господарства", Глеваха, 2006), "Сучасні проблеми землеробської механіки" (Миколаївський державний аграрний університет 2002 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях: "Механізація і енергетика сільського господарства" MOTROL'03, (Люблін-Київ 2003 р.), Prezent si viitor in domeniul mecanizarii si elektrificarii agrikulturii (Chisinau, 2000), "Землеробська механіка на рубежі сторіч" (ТДАТА, Мелітополь, 2001 р.), "Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій", (Львівська філія УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, смт. Магерів, 2007 р.).

2. Зміст роботи

У першому розділі проведений наліз стану питання раціонального застосування різних способів основного безвідвального обробітку ґрунту, знарядь для їх забезпечення та результатів дослідження процесів, які при цьому відбуваються. Традиційна система основного обробітку ґрунту, яка базується на застосуванні ґрунтообробних знарядь полицевого типу останнім часом втрачає свої позиції і поступається безвідвальним способам обробітку. Однак поширення останніх стримується рядом факторів, серед яких, не завжди задовільне кришення ґрунту, що потребує застосування додаткових ґрунтообробних знарядь і це призводить до відповідних негативних енергетичних та екологічних наслідків. Установлено, що перспективним напрямком вирішення даних проблем може бути використання комбінованих безполицевих знарядь конструктивно адаптованих до грунтово-кліматичних умов їх застосування. Ґрунтовий покрив сільськогосподарських угідь України за механічним складом, як найбільш впливовим фактором на процеси їх подрібнення відрізняється великою різноманітністю, тому вирішити задачу по визначенню зміни їх агрегатного складу шляхом застосування тільки даних про стан ґрунтів отриманих експериментально в польових умовах не представляється можливим. Рішення може бути знайдене в отриманні систематизованих даних залежності узагальнених механіко-технологічних показників від їх фізико-механічних властивостей в лабораторних умовах з діапазоном змін адекватним природному.

Диференціація робочих органів і складу ґрунтообробних знарядь не можлива без знань характеристик грантів, процесів які відбуваються в них при взаємодії з різними типами робочих органів, а також введення критерія на основі якого її можна здійснити.

Вагомий внесок у результати досліджень властивостей грунтів і особливо їх обробітку належить Горячкіну В.П., Василенку П.М., Желіговському В.А., Погорілому Л.В., Качинському Н.А., Медведєву В.В., Соколовському О.Н., Кушнарьову А.С., Нагорному М.Н., Гукову Я.С., Панченку А.М., Прокопенку Д.Д., Корабельському В.І., Дубровіну В.О., Шевченку І.А., Пащенку В.Ф., Шикулі М.К., Морозову І.В. Bernacki H., Dencker C. та іншим, роботи яких є основою для вирішення сучасних задач землеробської механіки.

Аналіз теоретичних розробок спрямованих на вивчення процесів що протікають в ґрунті свідчить про те, що в більшості випадків розгляд даних процесів здійснювався на основі відповідних теорій міцності, а моделі ґрунтів представлялися як: тверде тіло; суцільне пружне середовище; суцільне, що не стискається сипуче середовище; суцільне середовище здатне деформуватися та суцільне пружно-пластичне середовище.

Але в кожній із розглянутих гіпотез не враховувалося те, що грунт в реальних умовах не може бути однорідним середовищем, яке підлягає деформації. Сили зчеплення між окремими елементами різними за механічним складом також відрізняються по величині, що свідчить про те, що грунт в початковому стані являє собою суцільне середовище, що деформується, яке складається з окремих елементів в середині яких, між окремими частинками ґрунту діють сили зчеплення більші, ніж в граничних зонах між сусідніми елементами. За таких умов і щільність окремих елементів буде відрізнятися в певнім діапазоні значень, а її середнє значення відповідатиме загальній щільності пласта, що підлягає обробітку. При допущенні такої гіпотези стану ґрунту, як об'єкту механічного обробітку, контакт робочого органу з ґрунтом можна розглядати як стохастичний процес послідовних зіткнень поверхні робочого органа з середовищем здатним деформуватися. При цьому грунт представляється елементами, які характеризуються параметрами (щільність, лінійні і об'ємні розміри), зміна яких підлягає певному закону розподілу. Знання даних законів дозволило б більш точно моделювати процес кришення ґрунту математичним шляхом. На цій основі були сформульовані відповідні завдання досліджень.

В другому розділі приведене дослідження математичної моделі процесу основного безвідвального обробітку ґрунту, як фізичної системи, в якій під дією робочих органів відбувається випадковий процес утворення агрегатів. При цьому ступінь подрібнення можна визначати як

,

де Р₀ - ймовірність того, що процес не буде відповідати параметру якості.

Ступінь подрібнення виражена в відсотках може характеризувати якість С виконання технологічного процесу

, (1)

Такий процес протікає як в часі (t) так і в заданому горизонті обробітку (у) з дискретним кінцевим числом станів . Стан системи характеризується кількістю агрегатів в них заданої розмірної фракції, а також їх часткою від загальної кількості - ймовірність Р_і(t) (і=0, 1, 2, ...n).

В самому загальному вигляді розвиток такого процесу або зміна його станів може відбуватися тільки в напрямку збільшення ступеня подрібнення. Характерною особливістю процесу є те, що за малий проміжок часу система може перейти в довільний стан із довільного попереднього стану. Це може бути представлено у вигляді графу (рис. 1).

На практиці достатньо розглядати тільки три стани, а не всі, кількість яких може бути досить великою. Тому задачу по визначенню ймовірності знаходження системи ґрунт в одному з довільних станів можливо і достатньо вирішувати, якщо розглядати тільки три підмножини та за графом, виділивши довільний стан в одну із підмножин.

Відповідно до цього графа система диференційних рівнянь Колмогорова переходу із стану в стан представляється наступним чином:

(2)

деµ_іЈ - інтенсивність переходів із одного стану в інший.

Початковими та нормованою умовами є:

, ,

Рішення системи рівнянь (2), виконане з використанням перетворень Лапласа, дозволило отримати:

,

. (3)

Аналіз рішення рівнянь показує, що початковий і кінцевий стани змінюються в часі монотонно, а проміжний стан спочатку збільшується, а потім зменшується маючи максимум.

Для вирішення задачі визначення типів та кількості робочих органів при комбінованому та пошаровому обробітку ґрунту розглянуто окремий робочий орган як елемент, який змінює величину вхідного параметра, (ймовірності ), за час його дії. Відношення вихідного параметра кожного елемента, або системи, до вхідного, характеризується передаточним коефіцієнтом К_Пі. При послідовному з'єднані таких елементів (послідовній дії робочих органів), загальний передаточний коефіцієнт К_П системи представляється добутком складових, тобто:

(4)

Де п - загальна кількість послідовних обробітків (робочих органів).

Розглядаючи стохастичний процес зміни стану ґрунту, під дією робочих органів, як Пуасонівський, встановлено, що характер зміни стану ґрунту має експоненціальну закономірність відповідно до якої поступово в часі чи циклічно зменшується ймовірність або кількість агрегатів, розміри яких не відповідають прийнятому стандарту (умові) якості обробітку.

Якщо грунт попередньо не був оброблений (р_0пі=1) тоді загальний передаточний коефіцієнт комбінованого агрегату буде:

(5)

де ч -параметр Пуасонівського розподілу подрібнених агрегатів ґрунту, а ступінь подрібнення ґрунту комбінованим агрегатом дорівнює:

.(6)

Практично ступінь подрібнення ґрунту можна розрахувати, визначивши дослідним шляхом значення ймовірності залишку на ситі агрегатів, розміри яких не відповідають прийнятому стандарту (розмірам отворів сита), або умові для встановлення якості обробітку ґрунту.

Функція щільності і ймовірності розподілу фракцій агрегатів ґрунту по глибині обробітку (у) для Пуасонівського процесу може бути записана у вигляді:

(7)

(8)

З рівняння видно, що ймовірність подрібнення агрегатів зменшується при віддаленні від робочого органа по експоненціональному закону.

Якщо глибину обробітку ґрунту поступово збільшувати, то буде змінюватися характер розподілу агрегатів ґрунту. В такому випадку щільність (інтенсивність) утворення заданої фракції в шарі грунту глибиною (y) може бути представлена середнім значенням суми щільностей пошарового подрібнення, тобто

.(9)

Таким чином і середнє значення щільності утворення різних фракцій агрегатів теж буде мати експоненціальну залежність від глибини обробітку.

Для визначення ймовірності утворення довільної фракції агрегатів ґрунту розглянуто функцію щільності розподілу їх розмірів а з Пуасонівським просторовим розподілом розташування центрів агрегатів в об'ємі ґрунту:

,(10)

Де а -усереднене значення розмірів агрегатів ґрунту;

л -щільність утворення подрібнених агрегатів ґрунту.

Після інтегрування (10) в межах від а₀ до отримаємо ймовірність утворення фракції з розмірами агрегатів :

,(11)

Де а₀ - задане максимально допустиме значення розміру агрегату фракції.

На основі логічних міркувань щільність утворення подрібнених агрегатів ґрунту можна представити як відношення напруження у_р, яке створює робочий орган для їх руйнування до роботи , яку необхідно затратити на виконання процесу, щоб він відповідав вимогам якості.

Робота (енергія) руйнування грунту в об'ємі за час при взаємодії з робочим органом з урахуванням гіпотези Кірпічова-Кіка являє собою суму пружної і пластичної енергій деформацій, рівняння балансу енергії яких при відповідних напруженнях , , та швидкості можна записати як

.

Роздільним інтегруванням при умові , та отримаємо:

;

,

де - кінетичний коефіцієнт поглинання енергії 1/с;

- коефіцієнт пропорційності, що враховує об'ємні пластичні деформації ґрунту.

При і отримаємо:

.

При граничних умовах , , і , коли , маємо:

.

Напруження на поверхні робочого органу при граничному напруженні руйнування та відносному показникові лінійних пластичних деформацій ґрунту () буде:

.(12)

де - довжина скиби сколювання;

- кут сколювання ґрунту.

б_к - кут кришення плоскорізного робочого органу;

ц₁, ц₂ - кути зовнішнього та внутрішнього тертя ґрунту.

Тоді напруження та робота руйнування ґрунту з урахуванням (12) дорівнює:

;(13)

(14)

Якщо прийняти довжину скиби сколювання ґрунту рівну її ширині, з урахуванням ступеня деформації її об'єм, згідно до емпіричної залежності, буде:

,

Де - величина початкової пружної деформації;

h₀ - глибина обробітку ґрунту.

Після підстановки роботи руйнування (14) і напруження у (13), які визначають щільність л в рівняння (11) при умові, що показник визначається рівнянням

,

Відповідно якість кришення грунту плоскорізним робочим органом згідно (1) дорівнює

. (15)

Вплив параметрів робочого органу, властивостей ґрунту і режимів роботи на якість обробітку ґрунту.

Найбільш характерною є залежність (С) від глибини обробітку грунту (h) (крива 1). Екстремум даної функції спостерігається при h=9…11 см, що свідчить про наявність характерного значення h, при якому можна досягти максимального кришення ґрунту плоскорізним робочим органом.

Обґрунтування складу комбінованого ґрунтообробного знаряддя для забезпечення раціональних показників його роботи в різних грунтово-кліматичних зонах можливе за умов наявності інформації про показники подрібнення ґрунту не тільки основними робочими органами, а й додатковими. Без них неможливо забезпечити передбачений агровимогами однорідний, дрібногрудкуватий агрегатний склад по всій глибині обробітку, що необхідний для сприятливих умов накопичення вологи та поживних речовин. При безвідвальному, особливо плоскорізному, обробітку максимальні розміри глиб формуються переважно на поверхні обробленого поля.

Одним із шляхів вирішення задачі подрібнення агрегатів поверхневого шару може бути підбір раціональних конструктивних, технологічних та експлуатаційних параметрів відповідних типів робочих органів за результатами теоретичного аналізу. При цьому важливим критерієм достовірності результатів є можливість застосування єдиної введеної оцінки показника якості кришення С.

Для додаткових робочих органів при подрібненні поверхневих шарів ґрунту показник якості наближено може бути визначений відношенням площі, в якій відбувається руйнування окремих агрегатів грунту з забезпеченням заданих норм S_р до загальної площі, що обробляється S₀.

. (16)

Для кожного з додаткових робочих органів і умов руйнування ґрунту побудовані відповідні рівняння, що враховують дію сил і деформації агрегатів ґрунту. Це дозволило встановити зони руйнування ґрунту під дією робочих органів, а значить і площу, на якій агрегати ґрунту розпушуються і відповідають нормам якості на подрібнення. Рішення отриманих рівнянь чисельними методами на базі програмного забезпечення Mathcad дало можливість побудувати відповідні графічні залежності зміни показника якості (С) від конструктивних параметрів робочих органів, експлуатаційних умов і механіко-технологічних властивостей ґрунтів. Так, для різних за конструкцією зубових борін, що відносяться до робочих органів пасивного типу, зміна якісного показника визначається за формулою:

, (17)

де- ширина смуги подрібнення агрегатів грунту є розв'язком рівняння (18), вирішеним числовим методом з використанням названого програмного забезпечення.

, (18)

;

m - маса окремого агрегату ґрунту; k_Т - коефіцієнт, що характеризує механіко-технологічні властивості ґрунтів; R - усереднений радіус агрегатів заданої розмірної фракції; f - коефіцієнт тертя; с₀ - щільність ґрунту; в₀ - кут нахилу зубів борони до поверхні поля.

Дослідженнями встановлено, що руйнування агрегатів ґрунту на поверхні поля бороною з прямими зубами відбувається в результаті удару і подальшого тиску з боку зубів на грудки в вертикальній площині, а при роботі борони з похилими зубами в результаті удару та стискання грудок як в вертикальному так і горизонтальному напрямку (рис 6). За таких умов по вагомості впливу на ймовірність руйнування грудок на перший план виходить граничний опір грунту руйнуванню стисненням (у). Так, при роботі звичайної зубової борони при решті рівних вихідних умов, руйнування грудок можливе тільки в діапазоні зміни (у) від 0 до 4х10⁵ н/м², що може мати місце при обробітку піщаних, супіщаних, легко- та середньосуглинкових ґрунтів.

Борони ж з похилими зубами, за умови достатньої їх маси, здатні забезпечувати відповідну ймовірність руйнування грудок по всій величині можливого діапазону зміни у від 0 до 21,5х10⁵ н/м², що свідчить про можливість використання даних борін і на самих важких ґрунтах, які за характеристикою по механічному складу відносяться до важкої глини.

Для борони з похилими зубами руйнування грудок, а отже і значення показника якості в меншій мірі залежить від робочої швидкості, так як переважаючим фактором руйнування грудок в даному випадку є їх стиснення як у вертикальній, так і в горизонтальній площині.

Основним конструктивним впливовим фактором на якість обробітку є відстань L між слідами зубів в напрямку руху. Є очевидним, що зі збільшенням даної відстані ймовірність руйнування грудок знижується. Характер залежності С від L для різних типів борін схожий, але фактичне значення С для борони з похилими зубами на 15ч20% більше.

Як видно з отриманих даних, другим конструктивним параметром, що впливає на якість обробітку, але характерним тільки для борони з похилими зубами, є кут в₀ нахилу зубів. Графік має екстремум, що припадає на значення кута в₀?35ч40⁰. Максимально можливе підвищення значення якісного показника С за рахунок зміни кута в₀ становить близько 15%.

Практично лінійною є залежність ймовірності кришення грунту від усередненого радіусу грудки заданого агротехнічними вимогами. При значенні R=25 мм звичайна борона забезпечує значення якісного показника близьке до С=55 %, а для борони з похилими зубами понад С=70%. Таким чином, борона з похилими зубами є більш ефективною і адаптованою до роботи в різних ґрунтових умовах і на різних експлуатаційних режимах при аналогічних конструктивних параметрах та агротехнічних вимогах.

Додатковий обробіток ґрунту може також виконуватися робочими органами дискового типу. Конструктивно вони бувають кільчасті, кільчасто-зубчасті, кільчасто-шпорові, дискові та інші. Найбільш складну форму поверхні взаємодії з ґрунтом має диск кільчасто-шпорового котка, для якого і проведені дослідження. Виявлена площа зони ефективного подрібнення ґрунту і її відношення до загальної площі обробітку. На підставі цього визначений показник якості обробітку ґрунту:

,(19)

Де х- ширина зони подрібнення окремих агрегатів грунту; d - товщина диска; l- відстань між осями трапецієдальних виступів; b- половина товщини кінця трапецієдального виступу; S_тр - площа трапецієдального виступу; (о)- функція, яка визначає зону кришення окремих агрегатів грунту залежно від взаємного положення виступів на дисках; L₁ - відстань між дисками.

В результаті аналізу отриманого рівняння виявлена незначна залежність показника обробітку ґрунту С як від робочої швидкості агрегату, так і від фізико-механічних властивостей ґрунтів.

Безумовно, збільшення відстані L₁ між дисками по ширині захвату та відстані між шпорами l призводить до зниження ефективності кришення ґрунту, але при наявності достатньої маси котків даного типу вони цілком ефективно можуть працювати в широкому діапазоні робочих швидкостей і станів ґрунтів.

Голчасті котки надають зоні кришення ґрунту форму овалу. З урахуванням цього показник якості кришення ґрунту дорівнює:

,(20)

Де r- радіус голки; l₁, l₂ - відстані між голками; у_М - координата центру грудки.

Суттєвою особливістю роботи голчастих котків, як видно з представлених залежностей є те, що при достатній масі вони можуть бути ефективними для додаткового подрібнення ґрунту за умови високої щільності розміщення кінців голок. Позитивною стороною використання представленої конструкції є незначна залежність ефективності його роботи від стану ґрунтів та швидкісних показників виконання технологічного процесу.

Різновидом голчастого котка є котки з перемичками. По аналогії з попереднім для них та рубчастих котків визначаються площа подрібнення агрегатів ґрунту і показники виконання технологічного процесу.

Проведений теоретичний аналіз оцінки ефективності роботи найбільш поширених типів робочих органів для додаткового поверхневого обробітку ґрунту відкриває можливість визначення раціональних значень їх конструктивних параметрів для забезпечення ефективної роботи в складі певного комбінованого знаряддя з урахуванням грунтово-кліматичних умовах експлуатації.

Загальний якісний показник подрібнення ґрунту комбінованим знаряддям, в складі якого першими контактують з ґрунтом, як суцільним пружно-пластичним середовищем, ярусно розташовані робочі органи, а потім на уже частково розпушений грунт послідовно діють інші додаткові робочі органи, пропонується визначати за виразом:

, (21)

Де ,- ймовірності того, що після проходу всіх основних ярусно розташованих та додаткових робочих органів грунт буде подрібнений на агрегати, розміри яких не перевищують передбачених агротехнічними вимогами; n - загальна кількість послідовно діючих робочих органів.

Ймовірність отримання необхідного складу грунту після основного ярусного обробітку визначається залежністю

, (22)

де - глибини обробітку грунту робочими органами різних ярусів;

h_заг - загальна глибина обробітку грунту.

Для зручності розрахунку загального показника якості подрібнення грунту комбінованими ґрунтообробними знаряддями, проведення диференціації їх складу стосовно до грунтово-кліматичних умов використання, а також обґрунтування раціональних конструктивних параметрів окремих робочих органів розроблена спеціальна програма для реалізації на ЕОМ. Алгоритм розрахунку передбачає використання фіксованих, попередньо обґрунтованих, значень глибини ходу робочих органів другого і третього ярусу h₂=h₃=10 см, а також враховує зміну властивостей грунту, представлених відносним показником лінійних пластичних деформацій (н), по глибині обробітку.

Кінцевий результат розрахунків представляється матрицею (3х6), в якій передбачається розміщення інформації про значення якісного показника С в трьох варіантах ярусного розташування плоскорізних робочих органів та шести варіантів можливого використання додаткових робочих органів різних типів.

Для обґрунтування конструктивних параметрів основних плоскорізних робочих органів запропонований вираз, який з уточненнями за результатами експериментальних досліджень має вигляд:

, (23)

Де k - коефіцієнт що характеризує ступінь впливу твердості грунту Т на дальність польоту скиби грунту; Д - коефіцієнт, який враховує вплив зв'язків між окремими елементами скиби грунту під час її підіймання та падіння; - робоча швидкість знаряддя; - кут кришення робочого органу; - ширина крила плоскорізного робочого органу.

У третьому розділі представлена програма та методики лабораторних та польових досліджень механіко-технологічних властивостей грунтів (твердості Т, відносного показника лінійних пластичних деформацій н, граничного опору ґрунту руйнуванню стисненням у), які дозволяють найбільш точно описати процеси, що відбуваються в грунті під дією робочих органів, зміни якісних та енергетичних показників функціонування експериментальних дослідних зразків комбінованих ґрунтообробних знарядь.

Основна задача досліджень полягала в перевірці висунутих гіпотез щодо закономірностей протікання процесів подрібнення грунтів, вірогідності отриманих математичних моделей та додаткової систематизованої інформації про властивості ґрунтів необхідної для практичного використання даних моделей.

При дослідженні названих властивостей грунтів основними впливовими факторами були обрані: - механічний склад грунту М; абсолютна вологість грунту А; щільність грунту с. За механічним складом ґрунти для дослідження були обрані чотирьох типів, які на даний час є найбільш поширеними в Україні і одночасно найбільш складними з точки зору їх обробітку - це суглинок середній і важкий, глина середня і важка. В зразках даних типів ґрунтів, підготовлених для дослідження, вміст фізичної глини М становив відповідно - 36, 55, 74 і 90%. Діапазон зміни вологості ґрунтів знаходився в межах від 1 до 27%. Межі варіювання щільності грунту відповідали діапазону їх зміни в реальних виробничих умовах і змінювалися в межах від 1,0 до 1,8 г/см³. Враховуючи те, що забезпечити реєстрацію значень показників механіко-технологічних властивостей при одночасному впливові ряду факторів з досить широким діапазоном зміни їх параметрів є задача практично неможлива для здійснення в реальних природних умовах, то для її вирішення була розроблена методика їх оцінки в лабораторних умовах. Досліди проводилися зі штучно виготовленими зразками грунту в вигляді циліндрів діаметром 46 мм і висотою 50 мм для визначення граничного опору ґрунту руйнуванню стисненням і відносного показника лінійних пластичних деформацій та діаметром 90мм і висотою 150 мм для визначення твердості ґрунту.

Зразки формувалися при максимальній вологості грунту, яка дозволяла їм утримувати надану циліндричну форму. Для різних типів грунтів показники вологості були різними. Необхідна щільність зразка задавалася початковою масою наважки, вологість поступовим підсушуванням до необхідного значення. Потім на динамометричнім пристрої (рис. 10) зразки піддавали стисненню до появи перших тріщин. Твердість грунту визначалася твердоміром Ревякіна. Обробка отриманих результатів здійснювалася за загальноприйнятими методиками.

При дослідженні якісних та енергетичних показників процесів, які відбуваються в грунті під дією та залежно від взаємного розташування робочих органів реєструвалися: тяговий опір важких культиваторних лап в різних варіантах розташування їх на гряділі при одно- та двохярусній схемі; агрегатний склад обробленого ґрунту і характер його зміни по глибині та залежно від загальної глибини обробітку; швидкість руху агрегату; твердість, вологість і щільність ґрунту. Отримання найбільш достовірних даних про протікання відповідного технологічного процесу можливе при

реєстрації даної інформації в аналоговому вигляді. Тому для реєстрації тягового опору ґрунтообробних робочих органів та швидкості переміщення агрегату по полю був розроблений спеціальний пристрій, який працює за принципом пружинного тягоміру, а особливістю конструкції є те, що інформація про зміну величини тягового опору та швидкість переміщення записується під час роботи на звичайний діаграмний папір.

Фактичне значення величини тягового опору визначалося по середньому значенню ординати відхилення кривої 1 від нульової лінії 3 з урахуванням масштабного коефіцієнта отриманого при таруванні пристрою.

Визначення реальної швидкості переміщення робочих органів в грунті здійснювалося, виходячи з довжини S ділянки лінії 2 між мітками 4, що на поверхні поля відповідає шляхові S, який проходить дослідна установка за один оберт її опорного колеса з урахуванням того, що швидкість переміщення діаграмного паперу постійна. Оцінка агрегатного складу ґрунту проводилася ситовим аналізом. Для обробітку статистичних даних отриманих результатів експериментальних досліджень застосовувалися стандартні методики, викладені в прикладних програмах для ПЕОМ.

Енергетичні показники роботи ґрунтообробних знарядь з ярусним розташуванням плоскорізних робочих органів значною мірою залежать як від конструктивних параметрів робочих органів різних ярусів, так і їх взаємного розташування по напрямку руху агрегату. В свою чергу, даний параметр залежить від "дальності польоту" зрушеної робочим органом скиби ґрунту. Щоб отримати дані для раціонального розташування робочих органів стосовно до грунтово-кліматичних умов використання, при проведенні лабораторних досліджень до переліку впливових факторів були внесені: твердість ґрунту Т; кут кришення б_к крил робочого органу; швидкість х_р переміщення його в ґрунті та глибина обробітку h.

Дослідження проводили з урахуванням методики планування повнофакторного експерименту з п'ятиразовою повторністю для визначення відповідного значення параметру оптимізації. Діапазон штучної зміни твердості ґрунту забезпечувався в межах від 1 до 5 МПа, кута кришення від 22 до 44⁰, глибини обробітку 4ч15 см, робочої швидкості від 1 до 3-х м/с.

Лабораторні дослідження проводилися в ґрунтовому каналі довжиною 15 м. Основним технічним забезпеченням був візок з електромеханічним приводом. До кронштейна, який мав можливість змінювати своє положення по висоті, закріплювався робочий орган, що досліджувався, а посередині рами знаходився механізм з котком для штучного ущільнення ґрунту до заданої твердості.

До нижньої задньої частини робочого органу, основу якого складала важка культиваторна лапа, було закріплено п'ять захищених від прямого попадання грунту поліетиленовими трубками, змонтованих на металевій штабі наборів електричних контактних датчиків. Смуги датчиків були рознесені по всій ширині захвату робочого органу з інтервалом 5 см. Це давало змогу отримати бажану інформацію при роботі не простого клина, а реального робочого органу, який має змінні величини параметра б_к по ширині захвату і не захищений від впливу стояка на переміщення ґрунтових мас. Датчики представляли собою пружинні пластинки з мідними контактами на кінцях. Кожному датчику відповідав світловий діод, який знаходився на спеціальному планшеті 5. При падінні зрушеної робочим органом скиби ґрунту вона тиснула через плівку на датчики і замикала електричний ланцюг. В результаті цього загорався відповідний світловий діод. Візуально точно зафіксувати дану інформацію неможливо, тому даний процес записувався цифровою відеокамерою, а потім, при перегляді зображення з установленим часовим інтервалом між знімками отримували значення "дальності польоту" скиби ґрунту.

Основною задачею польових випробувань дослідних зразків ґрунтообробних знарядь була перевірка вірогідності розробленої методики та відповідних математичних моделей розрахунку загального показника подрібнення грунту теоретичним шляхом.

Дослідження проводилися на полях Укр НДІПВТ, Кіровоградському інституті агропромислового виробництва та ряді господарств агропромислового комплексу. Основним показником якості виконання технологічного процесу був показник кришення грунту, а енергетичним - тяговий опір. Для отримання даних характеристик використовувався польовий дослідний комплекс .

Збір необхідної інформації проводився з використанням тензометричного динамометра, спеціального пристрою для контролю швидкості, обладнання для перетворення та обробки первинної інформації. Базовим для дослідження був експериментальний грунторозпушувач ГРН-3,9.

В четвертому розділі наведені окремі результати експериментальних досліджень механіко-технологічних властивостей грунтів та процесів зміни їх агрегатного складу під дією плоскорізних робочих органів

При практичній реалізації розроблених математичних моделей для визначення показників подрібнення грунтів виникає необхідність мати систематизовані дані про механіко-технологічні властивості грунтів та їх залежність від основних фізико - механічних властивостей - вологості А та щільності грунтів с. Потреба враховувати одночасний вплив вологості і щільності була підтверджена як візуальними, так і числовими показниками. Кожен тип грунтів мав свій особистий характер руйнування.

В результаті проведених лабораторних досліджень отримані регресійні моделі виду:

Т(у,н) = а₀ - а₁ + а₂А + а₃ ² - а₄ А + а₅А²,

деа₀ , а₁ ,а₂ , а₃, а₄, а₅ - коефіцієнти рівняння регресії, а також відповідних графічних інтерпретацій залежностей Т,н,у від А та с для чотирьох основних типів ґрунтів.

Отримані залежності для різних типів ґрунтів мають подібний характер, але суттєво різняться ступенем впливу та фактичними значеннями.

Аналіз процесів кришення ґрунтів, як суцільного пружно-пластичного середовища при різних глибинах обробітку одним плоскорізним робочим органом показав, що співвідношення між ґрунтовими агрегатами різних розмірів має певний характер, який є підставою для визначення числового значення показника якості виконання технологічного процесу та раціонального значення глибини обробітку одним робочим органом.

Дослідження, проведені на полях Укр.НДІПВТ показали, що вміст розмірної фракції 0ч10 мм, відсоткова частка якої є показником агротехнічно цінних агрегатів в обробленім шарі ґрунту, зі збільшенням глибини обробітку спочатку збільшується до глибини 12…13 см, а потім поступово знижується. Аналогічним чином веде себе сумарна фракція розмірних агрегатів від 0 до 50 мм, відсотковий вміст якої в загальнім об'ємі обробленого грунту згідно з агротехнічними вимогами є показником якості подрібнення. Екстремум даної кривої припадає на глибину обробітку 9…12 см. Показовим є те, що характер даної експериментальної кривої є близьким до кривої отриманої теоретичним шляхом. Відсотковий же вміст крупних фракцій розмірами >100 мм суттєво збільшується. Проміжні розмірні фракції - 10ч20, 20ч30, 30ч40, 40ч50 мм займають в загальнім об'ємі залежно від глибини обробітку від 4 до 12%. Зі збільшенням глибини обробітку їх вміст знижується.

Отже, можна вважати експериментально підтвердженим, що раціональна глибина обробітку ґрунту одним плоскорізним робочим органом, з точки зору досягнення кращого показника кришення, повинна знаходитись в межах 9...12 см, а обробіток ґрунтів на більші глибини бажано здійснювати декількома ярусно розташованими робочими органами, але при різних станах ґрунту дане значення буде відрізнятися.

Просторовий же розподіл різних за розмірами агрегатів ґрунту по глибині залягання після проходу основного робочого органу комбінованих знарядь визначає необхідну глибину обробітку та ефективність використання тих чи інших типів робочих органів, призваних додатково розпушити уже оброблений шар ґрунту, щоб довести загальний показник подрібнення до передбаченого агротехнічними вимогами значення.

Дослідження розподілу різних за розмірами агрегатів ґрунту по глибині залягання після проходу основного робочого органу на глибину 20см (рис.20) показують, що зі збільшенням глибини залягання відсотковий вміст агротехнічно цінних агрегатів (0-10 мм) суттєво збільшується, вміст проміжних фракцій розмірами від 10 до 50 мм зростає незначно.

По всіх глибинах залягання дрібніших фракцій більше, ніж крупніших. Крупні фракції розмірами 50-100 мм розміщуються ближче до поверхні на глибині до 15 см, а самі крупні, розмірами >100 мм ще на меншій глибині, всього до 10 см.

Результати експериментальних досліджень підтверджують припущення, що з віддаленням від поверхні робочого органу інтенсивність кришення знижується, а отже збільшуються лінійні розміри ґрунтових агрегатів.

Враховуючи те, що ґрунтові агрегати максимальних розмірів формуються в приповерхневих шарах, чи безпосередньо на поверхні обробітку то використання для додаткового розпушування грунту робочих органів, які послідовно діють на грунт по всій глибині обробітку, з енергетичної точки зору не може бути раціональним. Більш доцільним може бути використання робочих органів, які працюють на глибину 5ч10 см залежно від способу їх впливу на грунт - різні типи котків, борін, гребінок.

За результатами лабораторних досліджень, які проводилися з метою перевірки вірогідності та при необхідності уточнення отриманої математичної моделі для визначення основного параметру взаємного розташування робочих органів при ярусній схемі роботи, отримане рівняння регресії, яке характеризує залежність дальності польоту Х_П скиби ґрунту, зрушеної плоскорізним робочим органом від твердості грунту Т, швидкості переміщення робочого органу в грунті х, кута кришення робочого органу б_к та глибини переміщення робочого органу в грунті h.

Х_П = -37,3 - 0,088Т + 0,099б_к +3,81h + 7,5х + 0,13Т² + 0,014Тб_к + 0,009Тh +… 0,18Тх - 0,009б_к² - 0,001б_кh + 0,12 б_кх - 0,02h² - 0,15hх - 0,125 х².

Графічна інтерпретація залежностей свідчить про те, що збільшення всіх впливових факторів забезпечує зростання "дальності польоту" підрізаної робочим органом скиби грунту, але характер та ступінь впливу відрізняється.

Результати дослідів по визначенню ефективності застосування розроблених комбінованих грунтообробних знарядь з варіантами одноярусного та двох'ярусного розташуванням основних робочих органів показують, що криві, які характеризують співвідношення агрегатів ґрунту для різних видів обробітку схожі між собою, але також мають певні особливості. При роботі грунторозпушувача з одноярусним і двох'ярусним розташуванням плоскорізних робочих органів спостерігається суттєва перевага в ступені подрібнення ґрунту при двох'ярусному обробіткові.

...