Обґрунтування процесу та параметрів знаряддя для механічного знищення бур’янів у посівах цукрових буряків

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР "ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА" (ННЦ "ІМЕСГ")

УДК 631.313.3

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПРОЦЕСУ ТА ПАРАМЕТРІВ ЗНАРЯДДЯ ДЛЯ МЕХАНІЧНОГО ЗНИЩЕННЯ БУР'ЯНІВ У ПОСІВАХ ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ

Голій Олександр Валентинович

Глеваха - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Волинському інституті агропромислового виробництва УААН

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Хелемендик Микола Михайлович, Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Прокопенко Дмитро Давидович, Західний філіал інституту механізації і електрифікації сільського господарства, завідувач лабораторії;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Завгородній Анатолій Федорович, Українська академія аграрних наук, провідний науковий співробітник відділу механізації та електрифікації харчової і переробної промисловості апарату президії.

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, м. Дубляни Жовківського району, Львівської області.

Захист відбудеться " 6 " жовтня 2005року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.27.358.01 у Національному науковому центрі "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства" за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р-н., смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 613.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства" за адресою: 08631 Київська обл., Васильківський р-н., смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 102.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Адамчук В.В.

Анотації

Голій О.В. Обґрунтування процесу та параметрів знаряддя для механічного знищення бур'янів у посівах цукрових буряків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний науковий центр "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства" Української академії аграрних наук (ННЦ "ІМЕСГ" УААН), Київ, 2005.

Дисертація присвячена питанням теоретичного та експериментального дослідження процесу механічного вибіркового видалення сходів рослин бур'янів та створення ґрунтообробного знаряддя, наділеного вказаним ефектом, обґрунтуванню параметрів і режимів його роботи. Застосування розробленого знаряддя дозволяє підвищити продуктивність і якість роботи на операціях догляду за сходами цукрових буряків, поліпшити якість механічної боротьби з бур'янами, зменшити хімічне навантаження на навколишнє середовище. Розроблений вперше механізм виконує санітарну роль при догляді за сходами рослин - видаляє хворі на коренеїд та пошкоджені шкідниками сходи буряків. Розроблена схема взаємодії пружинного зуба з ґрунтом, у якому наявні сходи рослин - буряків і бур'янів. Розроблені математичні моделі руху пружинного зуба у ґрунті. Визначено умови стійкості ходу борони з пружинними зубами. Експериментальні дослідження дали змогу виявити нові закономірності процесу. Результати досліджень і конструкторських розробок втілені в конструкцію борони з пружинними зубами, наділену ефектом механічної вибірковості видалення сходів рослин, яку випускає промисловість України. Ключові слова: борона, пружинний зуб, механічне розпізнавання сходів, знищення бур'янів, розпушування ґрунту.

Голий А.В. Обоснование процесса и параметров орудия для механического уничтожения сорняков на посевах сахарной свеклы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельского производства. - Национальный научный центр "Институт механизации и электрификации сельского хозяйства" Украинской академии аграрных наук (ННЦ "ИМЕСГ" УААН), Киев, 2005.

Диссертация посвящена вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса механической избирательности удаления всходов растений и создания почвообрабатывающего орудия, обладающего указанным эффектом, обоснования параметров и режимов работы. Применения разработанного орудия позволяет повысить производительность и качество работы на операциях ухода за всходами сахарной свеклы, улучшить механическую борьбу с сорняками, уменьшить химическую нагрузку на окружающую среду. Впервые механизм выполняет санитарную роль на уходе за всходами растений - удаляет больные корнеедом и поврежденные вредителями всходы свеклы. Разработана схема взаимодействия пружинного зуба с почвой, в которой растут всходы растений - свеклы и сорняков. Указанная схема позволила построить модель процесса механической избирательности всходов растений, а также предложить рабочий орган для реализации этого процесса - упругую систему пружина-зуб, названную пружинным зубом. Разработаны математические модели движения пружинного зуба в почве. Решение полученных дифференциальных уравнений дало возможность определить упругую характеристику пружинного зуба и ряд других параметров. В результате установлена величина коэффициента жесткости системы пружина-зуб С = 267 Н/м при линейной упругой характеристике, благодаря чему обеспечивается механическая избирательность при функционировании такого зуба. Определены условия спокойности хода бороны с пружинными зубьями. Экспериментальные исследования дали возможность выявить новые закономерности процесса. Так, зуб длиной 140 мм удаляет всходов свеклы в несколько раз меньше, чем зуб длиной 110 мм при одинаковом количестве уничтоженных сорняков. Установлена тесная зависимость качества работы бороны от ее веса. При увеличении веса бороны сверх 4, 5 Н удельного веса на один зуб качество ее работы ухудшается и стремительно снижается коэффициент механической избирательности. Важным фактором является поступательная скорость бороны - наилучшие результаты обеспечивает скорость 1,1 м/с, вместе с тем получены также результаты, близки к оптимальным при роботе бороны на скорости 1,55 м/с. Борона с пружинными зубьями, с рациональными параметрами и режимом работы обеспечивает в исследованном диапазоне влажности почвы (W = 14-20%) достаточно стойкие показатели удаления всходов растений (в среднем): уничтожение сорняков от 60 до 75,1%, удаление всходов свеклы от 3 до 5%. При указанных значениях критериев эффективности достигнут такой уровень коэффициента механической избирательности - от 12 до 15,4. Борона с пружинными зубьями способствует повышению урожая корнеплодов на 11 - 46 ц/га. Результаты исследований и конструкторских разработок воплощены в конструкцию бороны с пружинными зубьями, имеющую эффект механической избирательности удаления всходов растений, которую выпускает промышленность Украины. Ключевые слова: борона, пружинный зуб, механическая избирательность, упругая характеристика.

O.V. Holiy. Working out the process and the tillage tool with mechanical selective action of removal of plant shoots. - Manuscript.

A thesis for obtaining a scientific degree of Candidate of technical sciences on specialty 05.05.11 - machines and mechanized devices of the agricultural production - The National Scientific Centre "The Institute of agriculture mechanization and electrification" the Ukrainian academy of agrarian sciences, Kiev, 2005.

The thesis is dedicated to the problems of theoretical and experimental investigation of the process of mechanical selectance of plant shoots removal, making a tillage tool endowed with such effect and grounding its parameters and operating conditions. The application of worked out tillage tool allows to increase the productivity and quality of work while looking after shoots of sugar-beets and other agricultural crops, to imrove mechanical weed control and to reduce chemical load upon environment. For the first time a mechanism performs a sanitary part at looking after plant shoots - it removes sore and injured by vermins beet-root shoots. A diagram of interaction of spring time with containing beet and weed shoots soil has been worked out. Mathematical models of spring tine motion in soil and of tine point displacement from bending at load application have been worked out. Conditions of spring-tined harrow investigation gave an opportunity to reveal new regularities of the process. The results of investigation and development were implemented in constraction of a harrow with spring tines endowed with an effect of selectivity at plant shoots removal. The harrow have been constructed in common with Sugar-beet Institute of Academy of Agricultural Sciences of Ukrain and is manufactured by Ukrainian industry. Key words: harrow, spring tine, mechanical shoots recognition, weeds extermination, soil ripping.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ефективність бурякового виробництва в Україні на сьогоднішній день невисока. Навіть новітня науково-технічна розробка в цій галузі - українська інтенсивна технологія вирощування цукрових буряків передбачає затрати праці в два рази вищі, ніж у Франції, Німеччині та ряді інших країн. Українська технологія, крім того, передбачає застосування у значних обсягах пестицидів, що викликає занепокоєння в плані збереження чистоти навколишнього середовища.

Вихідними причинами більшості факторів зниження ефективності бурякового виробництва та надмірного застосування пестицидів є використання застарілих технологічних процесів, недосконалість технічних засобів та інші. Отже, розроблення технологічних процесів і докорінне удосконалення машин для вирощування цукрових буряків, особливо при ранньому догляді за сходами рослин, є завданням, що має велике народногосподарське значення. Тому обґрунтування процесу та параметрів знаряддя для механічного знищення бур'янів у посівах цукрових буряків є надзвичайно актуальними. бур'ян хімічний цукровий буряк

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, що складають основу дисертаційної роботи, виконані у Волинському інституті агропромислового виробництва УААН та Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України в 1996-2002 рр. у відповідності з науково-дослідними та дослідно-конструкторськими планами роботи Волинської державної сільськогосподарської дослідної станції (з 2000р. - Волинського інституту АПВ) у складі завдань цільових комплексних програм, до яких відноситься науково-технічна програма "Цукрові буряки". Номер держреєстрації 0102U002503.

Мета роботи - підвищити якість знищення сходів бур'янів при суцільному механічному обробітку ґрунту по сходах цукрових буряків.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

– провести узагальнення основних положень процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин та виконати аналіз технічного рівня боронувальних знарядь на предмет наявності ефекту механічної вибірковості;

– обґрунтувати та дослідити агробіологічні та технічні передумови механічної вибірковості;

– розробити конструкцію робочого органа, здатного реалізувати процес механічної вибірковості видалення сходів;

– скласти розрахункові моделі прогину зуба і переміщення кінця зуба у грунті та визначити пружні характеристики пружинного зуба;

– вивести аналітичні залежності для визначення раціональних конструктивних, технологічних та експлуатаційних параметрів борони з пружинними зубами, наділеної ефектом механічної вибірковості;

– скласти еквівалентну схему та розробити модель руху боронувального агрегату у складі розроблених борін з пружинними зубами;

– провести експериментальні дослідження борони з пружинними зубами для визначення залежностей впливу параметрів на показники якості її роботи;

– обґрунтувати конструктивні параметри пружинного зуба та борони за умови досягнення максимально можливого на даному етапі розвитку техніки рівня механічної вибірковості видалення сходів;

– провести лабораторно-польові дослідження пружинної борони та визначити основні агротехнічні показники її роботи;

– прийняти участь у впровадженні пружинної борони у виробництво та визначити економічний ефект від її застосування.

Об'єкт досліджень - технологічний процес вибіркового видалення сходів рослин ґрунтообробними робочими органами.

Предмет дослідження - знаряддя для поверхневого обробітку ґрунту по сходах цукрових буряків, його технологічні, конструктивні та експлуатаційні параметри.

Методи дослідження - із загальнонаукових методів застосовувались аналіз, синтез, моделювання. Із конкретно-наукових методів застосовували теоретичні та експериментальні дослідження. Теоретичні дослідження проводились із застосуванням основних положень вищої математики, теоретичної і аналітичної механіки, опору матеріалів, числового розв'язку задач з використанням ЕОМ. Аналіз математичних моделей здійснювався на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися за галузевими (РД 10.4.2-89, РД 10.4.3-89, ОСТ 70.4.3.-74) та розробленими методиками із застосуванням спеціально спроектованих та виготовлених установок і приладів. При проведенні експериментальних досліджень застосовувалися математичні методи планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів. Закладені наукові основи процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин при обробітку ґрунту на посівах буряків. Розроблено модель взаємодії пружинного зуба з ґрунтом, в якому наявна коренева система сходів рослин. Синтезовано робочий елемент - пружинний зуб, придатний реалізувати процес механічної вибірковості видалення сходів рослин. Вперше розроблена математична модель руху пружинного зуба оригінальної конструкції у ґрунті. Складені розрахункові моделі прогину пружинного зуба та переміщення його кінця у ґрунті. Отримані аналітичні залежності процесу взаємодії пружинного зуба з елементами опору (сходи рослин, ґрунт). Виведені аналітичні залежності для визначення конструктивних і експлуатаційних параметрів пружинного зуба і борони.

Практичне значення одержаних результатів.

За результатами досліджень запропоновано ґрунтообробне знаряддя, наділене механічною вибірковістю видалення сходів рослин. Розроблені конструкції і визначені раціональні параметри пружинного зуба і борони, наділених актуальною характеристикою - механічною вибірковістю видалення сходів рослин. На основі теоретичних і експериментальних досліджень спільно з Інститутом цукрових буряків УААН розроблено конструкцію борони з пружинними зубами, яка в даний час випускається на Кам'янець-Подільському ЗАТ "Нива" - борони пружинні легкі БПЛ-7 та БПЛ-9 і борони-культиватори БПЛ-7БК та БПЛ-9БК. Борону пружинну універсальну БПУ-0,8 (патент України 46080) випускає КВП "Дніпропетровський комбайновий завод" та ВО ВАТ "Рожищесільмаш".

Особистий внесок здобувача. Участь у розробці наукових і технічних основ процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин. У теоретичних дослідженнях розроблена математична модель руху пружинного зуба у ґрунті, складені розрахункові моделі прогину зуба та переміщення кінця пружинного зуба у ґрунті, отримані аналітичні залежності процесу взаємодії пружинного зуба з елементами опору (сходи рослин, ґрунт), виведені аналітичні залежності для визначення конструктивних параметрів і режимів роботи борони з пружинними зубами. Експериментальні дослідження та обробка результатів здобувачем проведені самостійно.

У технічному рішенні, яке розроблено на рівні винаходу, частка кожного співавтора є рівноцінною. У друкованих працях за темою дисертації, опублікованих у співавторстві, особистий науковий внесок здобувача складає 35-65% (основні наукові положення та результати досліджень).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (2001 ... 2003 рр.), на Міжнародній науково-технічній конференції "Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві" (Глеваха, 1997 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції "Механізація сільськогосподарського виробництва", присвяченій 100-річчю з дня заснування Національного аграрного університету (м. Київ, 1998 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції "Механізація сільськогосподарського виробництва", присвяченій 100-річчю з дня народження академіка П.М. Василенка (м. Київ, 2000 р.), на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Мотрол - 2001" (Польща, м. Люблін, 2001 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась, обговорювалась і рекомендована до захисту на засіданні вченої ради Волинського інституту АПВ (2005).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковані у шести друкованих працях у фахових виданнях, з них дві - одноосібно. Технічна новизна розробки підтверджена одним патентом України на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 137 найменувань (з них 7 на іноземних мовах), додатків. Основна частина викладена на 135 сторінках, містить 37 рисунків і фотографій і 13 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета, визначені об'єкт, предмет, задачі і методи досліджень, висвітлена наукова новизна й практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі "Вибір та обґрунтування напряму дослідження" розглянуто тенденції розвитку методів боротьби з бур'янами на посівах цукрових буряків і встановлено, що успіх тут забезпечує застосування раціональної системи, яка гармонійно включає агротехнічні, хімічні та механічні методи. Розглянуто результати застосування зубових борін на операціях механічної боротьби з бур'янами і обґрунтовано необхідність розроблення нового робочого органа для борони, який повинен бути наділений, в першу чергу, здатністю механічної вибірковості видалення сходів рослин, яка полягає в тому, щоб при мінімальному видаленні сходів буряків максимально знищувати сходи бур'янів, що ростуть поруч зі сходами буряків. Розроблення таких робочих органів тільки розпочинається в Україні, Данії, Німеччині, Новій Зеландії.

Проаналізовано напрями дослідження та конструювання робочих органів для боротьби з бур'янами механічним методом, викладені в наукових працях Глуховського В.С., Паламарчука В.І., Прокопенка Д.Д., Вілде А.А., Мерцедіна Р.Н., Бондарчука А.Д., Brautigam V., Vester I. та інших.

Перші кроки дослідження процесу механічної вибірковості видалення сходів рослин зробили Летошнєв М.М., Крижко В.М., Зиков П.Ю., Сагаков М.І., Гриднєв Є., Хелемендик М.М.

Проведено огляд методів синтезу та оцінки критеріїв функціонування пружних систем, виходячи з наукових праць Пономарьова С.Д., Писаренка Г.С., Болотіна В.В., Пановко Я.Г., Цурпала І.А., Погорілого Л.В., Божидарника В.В., Сулима Г.Т. та інших вчених.

Обґрунтовано узагальнюючий пристрій оцінки функціонування пружинного зуба при обробітку посівів цукрових буряків - коефіцієнт механічної вибірковості видалення сходів рослин.

, (1)

де Кб - кількість знищених сходів бур'янів;

Кр - кількість видалених сходів буряків.

На підставі викладеного поставлено мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі "Дослідження передумов механічної вибірковості та наділення ґрунтообробного знаряддя цим ефектом" наведені результати досліджень по встановленню зусилля виривання сходів буряків та бур'янів, запропоновано аналітичний вираз зусилля, необхідного для зсуву блоків ґрунту з наявними в них сходами бур'янів і буряків, викладено технічні рішення пружинного зуба і борони з пружинними зубами та обґрунтовано їхні параметри.

Результати досліджень показали, що області розподілу ймовірності зусиль виривання із ґрунту для сходів різних бур'янів накладаються на певну зону області розподілу зусиль для буряків. Встановлено, що в зоні 0-5Н вириваються пошкоджені (хворобами, шкідниками) сходи цукрових буряків. Тому для здорових сходів зона накладання не є значною. Отже, лише невелика частина сходів цукрових буряків може бути видалена, а основна маса їх збережеться. Це створює добрі передумови для реалізації процесу механічної вибірковості.

Зуб круглого перерізу працює в ґрунті як двогранний клин, розсовуючи ґрунт на боки, зсуваючи агрегати ґрунту, при цьому обриваючи корінці сходів бур'янів. При поступальному русі пружинного зуба у ґрунті через опір ґрунту та завдяки пружності зуба він відхиляється від вертикального положення і кут б між віссю зуба і поверхнею ґрунту прийме значення, більші за 900. При цьому робоча площадка зуба діє на частину ґрунту силою R, рівною геометричній сумі нормальної сили N і сили тертя F частки по площадці. В цьому випадку реакція ґрунту R перешкоджає заглибленню зуба, більше того, одна із складових цієї сили прагне виштовхнути зуб із ґрунту.

Реакція ґрунту Rґ має дві складові: силу Rг, паралельну осі Х, яка разом з реакцією грудочки ґрунту з корінцями рослин визначає тяговий опір зуба і силу Rв яка прагне виштовхнути зуб із ґрунту, або:

Т = Rг + Тґ. (2)

Застосуємо модель, яку запропонував Кулон для фізичного опису руйнування при зсуві однієї частинки ґрунту відносно іншої.

Кулон встановив, що для руйнування необхідно, щоб зусилля зсуву, по-перше долало силу зчеплення ґрунтових часток в площині руйнування і, по-друге, силу тертя між поверхнями при їхньому переміщенні один відносно іншого.

Фізичний опис закону Кулона наступний:

необхідне зусилля зсуву = сила зчеплення + сила тертя,

тобто

Тґ = Сm + Fт. (3)

У зв'язку з тим, що одна із складових зусилля зсуву, а саме сила зчеплення часток ґрунту, залежить від багатьох факторів, які можна розділити на дві групи, вважаємо доцільним розділити цю силу на дві складові:

Сm = Q1 + Q2. (4)

де Q1 - сила, необхідна для відривання і пересування певного об'єму ґрунту по ґрунту, яка приблизно рівна вазі ґрунту, який зсуває зуб своєю дією, Q1 = 0,8; H.

Q2 - сила розриву корінців рослин, які знаходяться в даному об'ємі ґрунту, для буряків Q2 = 4,1 Н, для бур'янів Q2 = 1 Н.

Отже, запропонований нами вираз необхідного тягового опору зуба буде мати наступний вигляд:

T = Q1 + Q2 + Rг + Fт. (5)

де Rг = аdk;

де k - коефіцієнт опору ґрунту, k = 0,03 Н/мм 2;

а - глибина обробітку ґрунту, а = 20 мм;

d - діаметр зуба, d =4 мм.

Rг = 0,03 • 4 • 20 = 2,4 Н.

Fт = fN;

де f - коефіцієнт внутрішнього тертя ґрунту, f = 0,4;

N - вага борони, яка припадає на один зуб, N = 4,5 Н.

Fт = 0,4• 4,5 = 1,8 Н;

Отже: для буряків Тр = 2,4 + 0,8 + 4,1 + 1,8 = 9,1 Н,

для бур'янів Тб = 2,4 + 0,8 + 1 +1,8 = 6 Н.

Для подальших розрахунків приймаємо Тр = Р = 8Н.

Для того, щоб робочий орган був наділений ефектом механічної вибірковості видалення сходів рослин, він повинен розпізнати рослину цукрових буряків з більшим опором вириванню і обминути її та розпізнати рослину бур'янів з меншим опором вириванню і видалити її. Безумовно, мова в цьому випадку йде про рослину однорічних бур'янів, а не багаторічних, тощо.

Робочий елемент повинен бути сконструйований таким чином, щоб він одночасно був і аналізатором і виконавцем відповідної реакції. В цьому випадку він може бути вільним від такої небажаної характеристики, як інерційність датчика.

Виходячи із постановлених задач та рівня сучасної техніки, вибираємо робочим елементом силовий пружний елемент.

У третьому розділі "Теоретичне дослідження процесу боронування ґрунту по сходах буряків і обґрунтування параметрів знаряддя" визначено відхилення кінця пружинного зуба при прикладанні до нього статичного навантаження, обґрунтовано необхідну для робочого процесу жорсткість системи зуб-пружина, складено і розв'язано диференціальне рівняння коливань зуба та визначено умови стійкості роботи пружинної борони.

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що жорсткість на згин, необхідну для вибіркового видалення сходів в конструкції пружного зуба досягти неможливо, а тому результати функціонування такого зуба не відповідають поставленим вимогами, а саме коефіцієнт механічної вибірковості не перевищував Км = 3-3,5.

Запропонований пружинний зуб, який являє собою систему зуб-пружина. Конструктивно зуб виконано у вигляді прямолінійного подовження 1 крайнього витка циліндричної пружини кручення 2 і розташований перпендикулярно до осі пружини. Протилежна частина пружини жорстко закріплена до рами знаряддя. Стержень, власне зуб, пружний, приймає навантаження від переміщення у середовищі ґрунту, перебуваючи на певну величину заглибленим у поверхневий шар ґрунту. Матеріал зуба ізотропний - пружинна сталь 60С 2, форма поперечного перерізу - круг.

Функціонування зуба залежить від прогину його в кінці. Величина цього прогину повністю залежить від жорсткості системи "зуб-пружина". Для визначення цього прогину використовуємо метод Мора та правило Верещагіна. Для кожної осі переміщення складається із суми переміщень від трьох деформацій, а саме деформації згину зуба (стержня) , згину пружини і деформації кручення пружини, тобто:

. (6)

Визначимо, які переміщення одержує кінець зуба від деформації всієї системи зуб-пружина при прикладанні одиничного навантаження. Переміщення від деформації згину стержня (зуба) визначаємо за формулою:

. (7)

де Н - довжина зуба; J - осьовий момент інерції.

Величина переміщення кінця зуба від функціонування витка пружини при його згинанні дорівнює:

.

а після відповідних перетворень маємо:

Коли щ =2nр, а n - число витків пружини, тоді:

. (8)

Величина переміщення кінця зуба від сумарної деформації згину зуба і пружини буде дорівнювати:

. (9)

Переміщення кінця зуба від деформації кручення витка пружини визначаємо за формулою:

. (10)

Основне переміщення кінця зуба, яке відбувається в напрямку хх, визначаємо за формулою:

. (11)

Підставивши у формулу (11) числові значення, а саме:

Е = 2,1 • 105 МПа - модуль пружності першого роду для сталі 60С 2;

G = 8,15• 104 МПа - модуль пружності другого роду для сталі 60С 2;

Н = 140 мм - довжина зуба;

n = 3 - число витків пружини;

Д = 48 мм - діаметр пружини;

J = рd4/64 - осьовий момент інерції;

Ір = рd4/32 - полярний момент інерції;

d = 4 мм - діаметр зуба;

t = 4,5 мм - крок витків пружини;

одержали дхх = 3,75мм. Відхилення зуба при прикладанні навантаження Р = 8Н, l = дхх Р = 30мм.

Аналогічно визначено переміщення кінця зуба в напрямках XY, YY, ZZ, YZ та XZ.

В реальних умовах пружинний зуб коливається, обминаючи в ґрунті перешкоди, отже достатньо визначити максимальне відхилення зуба в залежності від часу та коефіцієнт динамічності, щоб стверджувати, чи буде працювати вибрана нами система "зуб - пружина" в реальних умовах поля.

Дослідимо вимушені поперечні коливання зуба. Зуб змоделюємо пружною однорідною балкою довжиною H, масою m і жорсткістю EJ на кінці якої діє вимушуюча стала сила .

На кінцях балки повинні задовольнятися наступні крайові умови:

; ;

; ,

де z - коефіцієнт жорсткості пружини при крученні.

Ці крайові умови означають, що на вільному кінці балки перерізуюча сила та згинальний момент дорівнюють нулеві, а на другому кінці прогин дорівнює нулеві і кут повороту пропорційний згинальному моментові, тобто ми пружину відкидаємо, а її дію на балку замінюємо другою умовою, при умові, що пружина працює у межах пружності.

Вимушені коливання даної балки опишуться таким диференціальним рівнянням:

. (12)

де q (x,t) - інтенсивність вимушуючої сили,

y (x,t) - прогин балки.

Спочатку встановимо вільні коливання балки, які описуються однорідним рівнянням

. (13)

Розв'язок цього рівняння будемо шукати методом Фур'є, тобто функцію двох змінних представимо у вигляді добутку двох функцій. Подальший розв'язок даного рівняння включає в себе застосування функції Крилова, функції Дірака. Провівши всі необхідні перетворення остаточно отримаємо:

. (14)

Проведено числовий аналіз поставленої задачі при реальних значеннях параметрів.

У нашому випадку:

m = 0,065кг; H = 0,14м; Р = 8,0Н; d = 0,004м;

; .

Числовий аналіз проведено за допомогою пакету прикладних програм Maple 9.

В додатках до дисертації наведено програму, яка обчислює власні числа лі, а також програму, яка будує графік залежності прогину вільного кінця балки від часу.

Після розв'язання рівняння (14) одержано максимальне відхилення зуба ymax = 58мм

Цей результат добре узгоджується із експериментальними даними по визначенню максимального відхилення кінця зуба при роботі пружинної борони в реальних умовах поля.

Встановивши, що характеристика пружної системи лінійна, жорсткість системи зуб-пружина визначаємо через коефіцієнт жорсткості за відомою формулою:

(15)

Якщо Р = 8Н, а l = 0,03м, тоді

Стійкість ходу пружинної борони розглядаємо лише у поздовжньо-вертикальній площині, так як стійкість її ходу в горизонтальній площині забезпечується завдяки тому, що сили, які діють в цій (горизонтальній) площині, взаємно врівноважені.

У вертикальній площині на борону діють наступні сили: Gб - сила ваги, прикладена в центрі ваги борони; P - сила тяги, спрямована під кутом до горизонту, прикладена до причіпного пристрою; Nб - реакція ґрунту на зуби, яка проходить вертикально через слід центра ваги борони; Rг - рівнодіюча горизонтальних складових сил тертя і нормального тиску на зуб, спрямована в горизонтальній площині в протилежний руху бік.

Щоб борона під дією всіх сил перебувала у рівновазі і залишалась в спокої або рівномірному русі, необхідно всі можливі переміщення її виключити, а цього можна досягти у випадку, коли сума проекцій всіх сил і сума моментів їх відносно відповідних осей дорівнюватиме нулю тобто:

. (16)

. (17)

. (18)

Для більшості конструкцій зубових борін б=14-170. Знаючи висоту розташування причіпного бруса зчіпки Нз та кут б, визначаємо довжину повідка:

. (19)

Виконавши розрахунки за формулами (16), (17), (18) приходимо до висновку, що стійкий хід пружинної борони забезпечено.

У четвертому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" викладена програма і методика досліджень, наведено перелік використаних стандартних приладів, описані прилади та експериментальна установка, створені автором, які використовувалися під час проведення досліджень.

В експериментальних дослідженнях застосовувалися сучасні стандартні програми та методи (РД 10.4.2-89, РД 10.4.3-89, ОСТ 70.4.3-74), спеціальні, а також методики, розроблені автором на основі загальних методичних положень.

Описані методи визначення: показників характеристики умов дослідження; показників знищення сходів бур'янів та пошкодження сходів буряків; фізико-механічних властивостей оброблюваного шару ґрунту; зусилля виривання із ґрунту сходів бур'янів і буряків при статичному і динамічному прикладанні навантаження; пружної характеристики системи зуб-пружина; параметрів і режимів роботи борони з пружинними зубами.

Для проведення експериментів у лабораторних і польових умовах використовувались спеціально виготовлені: лабораторно-польова установка із змінними комплектами пружинних зубів і змінним баластом; лабораторна установка "рухоме поле" для дослідження пружинних зубів різних конструкцій; прилад для дослідження пружних характеристик пружинного зуба; прилад для визначення сили опору вириванню із землі сходів рослин при статичному та динамічному прикладанні навантаження; лабораторно-польова установка для визначення переміщення кінця зуба при роботі борони в полі.

Математичним методом планування експерименту досліджували найбільш впливові фактори: швидкість агрегату (Х 1), вага борони (Х 2) та довжина зуба (Х 3).

У п'ятому розділі "Результати експериментальних досліджень та розрахунок економічної ефективності" наведені експериментальні дані вивчення: пружної характеристики зуба, впливу параметрів робочого органа та борони і режимів роботи борони на якість реалізації процесу механічної вибірковості; агротехнічної оцінки розробленої борони; рівня механічної вибірковості у борін різних конструкцій. Визначений економічний ефект від застосування борони з пружинними зубами.

У зуба довжиною 140 мм жорсткість виявилася раціональною для прояву максимального рівня ефекту механічної вибірковості. Зуб такої довжини (140мм) найбільше знищує бур'янів і найменше видаляє і присипає сходів цукрових буряків.

Для забезпечення максимального ефекту механічної вибірковості видаленню сходів борона з пружинними зубами повинна мати раціональний питомий тиск на один зуб 4,5 Н. Тобто, для борони із 40 пружинними зубами раціональною є вага 180 Н.

Для борони з пружинними зубами оптимальним швидкісним режимом є 1,1 м/с. Поряд з цим одержано також близькі до оптимальних результати при роботі борони на швидкості 1,55 м/с.

В результаті реалізації трифакторного експерименту одержано наступні рівняння регресії:

1) знищення бур'янів

y = 61,95 + 4,75х 1 + 6,17x2 - 11,83x3; (20)

2) видалення сходів буряків:

y1 = 5,34 + 1,06x1 + 1,76x2 - 0,25x1x2; (21)

3) присипання сходів буряків:

y2 = 2,45 + 0,32x1 + 0,52x2 + 0,21x2x3. (22)

Перевірка за критеріями Фішера, Стьюдента і Кохрена показала, що дані рівняння є адекватними а коефіцієнти значущими. В результаті обробки даних побудовані поверхні відгуку та встановлені раціональні параметри борони. Одержано Км = 13,5.

В результаті виробничої перевірки встановлено, що на відміну від пружинних борін, які випускаються в Україні, запропонована борона з пружинними зубами, параметри якої обґрунтовані і розраховані в дисертації, володіє ефектом механічної вибірковості видалення сходів рослин при коефіцієнті механічної вибірковості 8-15,4. Однак застосовуючи технологію вирощування цукрових буряків, описану в матеріалах дисертації можна одержати Км = 18-19. Такий рівень ефекту механічної вибірковості задовольняє сучасне аграрне виробництво. Проявилась також санітарна роль пружинної борони, головним чином завдячуючи якій одержано прибавку врожаю на 11-46ц/га. Машинобудівна промисловість України освоїла виробництво борін з пружинними зубами, наділеними ефектом механічної вибірковості видалення сходів рослин. Економічний ефект від застосування вказаних борін становить 3995 грн в рік.

Висновки

1. Існуючі конструкції борін з жорсткими, пружними та пружинними зубами не забезпечують необхідної якості обробітку ґрунту по сходах цукрових буряків. Критерії якості роботи для них (коефіцієнт механічної вибірковості) на рівні Км = 3,3-2,15 є недостатнім. Застосувавши на практиці знаряддя, яке володіє Км = 15 і більше, можна значно знизити хімічне навантаження на навколишнє середовище та покращити механічний процес обробітку ґрунту по сходах цукрових буряків.

2. Різниця, що є між опором зсуву часток ґрунту, скріплених кореневою системою сходів буряка (8-9 Н) та опором зсуву часток ґрунту, скріплених кореневою системою сходів бур'янів (лобода, куряче просо - не перевищує 6 Н) дозволяє створити пружинний зуб з такою жорсткістю, щоб він був здатен за опором зсуву розрізнювати сходи рослин буряка і обминати їх, а сходи рослин бур'янів видаляти

3. Складені і вирішені диференціальні рівняння дозволяють дослідити пружну лінію (криву прогину) пружинного зуба і визначити за методом Мора і правилом Верещагіна переміщення кінця зуба та дозволили встановити максимальні (з технологічних міркувань) прогин l = 0,03м та коефіцієнт жорсткості згину системи зуб-пружина С = 267 Н/м при лінійній пружній характеристиці, завдяки чому забезпечується механічна вибірковість даної системи.

4. Створено пружинний зуб, здатний реалізувати процес механічної вибірковості видалення сходів рослин. Теоретично обґрунтовані і експериментально підтверджені його конструктивні параметри: діаметр дроту - 4мм, середній діаметр пружини - 48 мм, кут закручування - 500, кількість робочих витків - 3, жорсткість пружини - 51 Н•мм/град, довжина зуба -140 мм.

5. Створено борону з пружинними зубами для знищення сходів бур'янів у посівах цукрових буряків. Вага борони - 180 Н, швидкість руху 1,1-1,5 м/с.

6. Борона з пружинними зубами в оптимальному режимі роботи забезпечує в діапазоні вологості ґрунту (W = 14-20%): знищення бур'янів - від 60 до 75,1%, видалення сходів буряків від 3 до 5%. Борона дозволяє досягнути коефіцієнта механічної вибірковості - від 12 до 15,4.

7. Застосування розробленої борони з пружинними зубами забезпечує підвищення урожайності цукрових буряків на 11-46 ц/га за рахунок зменшення забур'яненості посівів та видалення хворих рослин цукрових буряків.

8. Математична модель руху кінця пружинного зуба є універсальною, вона підтверджена експериментально і може бути використана в дослідженні аналогічних процесів і об'єктів.

9. Результати досліджень і конструкторських розробок втілені в конструкцію борони з пружинними зубами, розроблену спільно з Інститутом цукрових буряків УААН, яку випускає ЗАТ "Нива"(м. Кам'янець-Подільський, Хмельницької області) під марками БПЛ-7, БПЛ-9, БПЛ-7БК і БПЛ-9БК. Борона пружинна універсальна БПУ-0,8 (патент України 46080) виготовляється на КВП "Дніпропетровський комбайновий завод" та ВО ВАТ "Рожищесільмаш".

10. Розрахунковий економічний ефект від застосування пружинної борони БПЛ-9БК становить 3995 грн./рік.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений в таких публікаціях

Хелемендик М.М., Битов В.П., Ляда М.І., Голій О.В. Ефективність знарядь для альтернативної технології догляду // Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві: Матеріали Міжнародної наук. -техн. конференції. Секція 2. - Глеваха, 1997. - С. 33-35. (здобувачем запропоновано конструкцію пружинного зуба).

Хелемендик М.М., Роїк М.В., Булгаков В.М., Ляда М.І., Сичук Л.В.,

Голій О.В. Пружинний зуб замінює гербіциди // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць НАУ. Том ІV. - Київ: НАУ, 1998. - С. 74-75. (здобувачем проведені польові дослідження).

Голій О.В. Удосконалення борони для розпушування грунту по сходах буряків // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць НАУ.Том ІХ.-Київ: НАУ, 2000. - С. 40-43.

Хелемендик М., Булгаков В., Сичук Л., Голій О., Wesolowski M. Дослідження технологічного процесу обробки сходів цукрових буряків бороною з пружинними зубами // Motoryzacja i energetyka rolnictwa: Motrol 2001. Tom 4. - Lublin: 2001. - С. 121-126. (здобувачем запропоновано конструкцію пружинної борони).

Голій О.В. Обґрунтування параметрів та режиму роботи борони з пружинними зубами // Сільськогосподарські машини: Збірник наукових статей. Вип. 12. - Луцьк: ЛДТУ, 2004 - С. 30-34.

Хелемендик М.М., Голій О.В. Обгрунтування технічного рішення робочого елемента для вибіркового видалення сходів рослин // Сільськогосподарські машини: Зб. Наук. Статей. Вип. 11. - Луцьк: ЛДТУ, 2003. - С.152-158. (здобувачем виконано теоретичні дослідження відхилення кінця зуба).

Пат. 46080 Україна, МКВ А 01В 19/02. Борона з пружинними зубами / Хелемендик М.М., Роїк М.В., Паламарчук В.І., Ляда М.І., Булгаков В.М., Битов В.П., Науменко М.Д., Голій О.В., Мисковець В.К., Жилєнков В.Д., Шевчук М.Й., Люлька Г.І., Сичук Л.В., Крижко В.М., Курило В.Л. (Україна) - №98073553; Заявлено 07.07.98; - Опубл. 15.05.02; Бюл №5. -3с. (здобувачем запропоновано конструкцію робочого органа).

Размещено на Allbest.ru

...