Основний зміст роботи

У першому розділі «Стан питання, мета та завдння досліджень» на основі аналізу існуючих біопрепаратів сформульовано вимоги до конструкцій ґрунтообробних машин для загортання рослинних решток, оброблених біодеструктором. Обґрунтовано необхідність створення такої машини з оптимальними кінематичними режимами та робочими органами для цієї технології.

Розробленням і створенням машин для біологічного землеробства займалися С.А. Булавін, А.В. Рижков, М.З. Зєлінський та інші вчені. Вони створювали ґрунтообробні знаряддя для різних біопрепаратів на базі дискових борін. В цьому варіанті ширина захвату штанги обприскувача дорівнювала ширині захвату дискової борони, або біопрепарати вносились безпосередньо на диск. У свою чергу, робочі органи, розміщені на єдиній осі, мають істотний недолік. Це пов'язано з тим, що біопрепарати вносяться через 2 або 3 дні після випадання опадів або під час дощу, тобто у вологий ґрунт. При загортанні рослинних решток у вологий ґрунт відбувається намотування великих фракцій соломи на вісь, що призводить до забивання робочих органів. А це істотно гальмує технологічний процес. У зв'язку з цим був проведений аналіз теоретичних досліджень кінематичних та конструкційних параметрів робочих органів ґрунтообробних машин з метою вибору раціональних кінематичних режимів роботи дисків для подрібнення та загортання рослинних решток, оброблених біопрепаратом, у ґрунт.

В роботі розглянуто переваги та недоліки робочих органів ґрунтообробних машин. Був вибраний диск на індивідуальному стояку типу „дискатор“, в якого відсутнє намотування на вісь, малий тяговий опір на робочий орган і загортання рослинних решток у ґрунт становить близько 70%.

У розвиток теоретичних досліджень, що стосуються сферичних дискових робочих органів ґрунтообробних машин, зробили внесок: П.У. Бахтін, В.В. Блєдних, В.М. Булгаков, П.Н. Бурчєнко, А.Т. Вагін, В.С. Василінін, В.П. Горячкін, А.П. Грібановский, Я.С. Гуков, Ф.М. Канарєв, В.В. Кацигін, В.П. Ковбаса, А.Б. Коганов, Е.А. Кочкін, А.С. Кушнарьов, Я.П Лобачевский, А.І. Любімов, О.М. Ляженкін, Т.С. Мальцев, В.М. Мацепуро, В.А. Мілюткін, В.Т. Надикто, П.С. Нартов, А.А. Румянцев, В.М. Сало, С.М. Саньков, Г.Н. Сінєоков, А.П. Спірін, В.Ф. Стрельбицький, Х.А. Хачатрян, І.А. Шевченко, Н.В. Щучкін, W. Gill, E. Gordon, М. O'Dogherty, P. Taylor, V. Salokhe, та інші.

У другому розділі «Теоретичне обгрунтування кінематичних режимів та параметрів робочих органів дискатора» показано, що основною особливістю робочих органів дискаторів є зміна механізму дії на ґрунт залежно від кута атаки (α) та кута нахилу до вертикальної площини (β).

При мульчуванні робоча поверхня сферичного диска виконує складний рух: окрім горизонтального руху вперед з машиною, диск обертається на індивідуальній осі під дією реактивних сил ґрунту, в результаті чого з'являється ковзання диска. Специфіка взаємодії автономно закріпленого на одній осі дискового робочого органу з ґрунтом вимагає дослідження кінематичних характеристик точок диска і руху ґрунту по диску. Актуальними є питання впливу кутів атаки та нахилу диска до: кутової швидкості диска, тягового опору диска та загортання рослинних решок диском – які практично не розглядалися. Розглянемо розрахункову схему для кінематичних досліджень диска на індивідуальному стояку (рис. 1).

Д е: α – кут атаки диска, град.; β – кут нахилу диска до поперечної осі, град.; – вектор кутової швидкості диска, 1/с; – вектор поступової швидкості машини, м/с, R – радіус диска (точки диска), мм.

Абсолютна швидкість точок сферичного диска ( _{= +} R) є векторною сумою переносної швидкості та відносної швидкості обертального руху R.

Рис. 1. Диск дискатора та сили що

діють на нього при роботі.

Для визначення залежності між тяговим опором та шляхом, пройденим диском у ґрунті, введемо коефіцієнт кінематичного режиму λ, як співвідношення поступової до кутової швидкості та радіуса диска, λ = V_xм/ω R. Використання λ як критерію дозволить нам визначати режими роботи для дисків різних діаметрів на різних швидкостях роботи. Цей критерій включає в себе побічно роботу сил тертя при взаємодії ґрунту з диском.

Послідовно визначаючи значення швидкостей та прискорень у всіх точках контакту диска з ґрунтом, можемо визначити поле швидкостей та поле прискорень частини диска, яка контактує з ґрунтом в залежності від безрозмірної величини λ. Тоді отримаємо кінематичні характеристики будь-якої точки, розташованої на диску.

Координати положення точки диска:

x = R cos α∙cos (V_xм /λ R)t + V_xм t;

y= R sin α sin β cos (V_xм /λR)t; . (1)

z= R cos β sin (V_xм /λR)t

Швидкості точок диска:

V_x = V_xм – (V_xм /λ) cos α∙sin (V_xм /λ R) t;

V_y= – (V_xм /λ) sin α∙sin β sin (V_xм /λ R)t; . (2)

V_z= (V_xм / λ) cos β∙cos (V_xм /λ R)t

Прискорення точок диска:

a _x = – (V²_xм /λ² R) cos α∙cos (V_xм /λ R) t;

a_y= – (V²_xм /λ² R) sin α∙sin β cos (V_xм /λ R) t; . (3)

a_z = – (V²_xм /λ² R) cos β sin (V_xм /λ R) t

В ектори абсолютних швидкостей та прискорень у кожній точці диска визначаються модулями та напрямними , , . Швидкості точки диска при за модулем визначають з рівняння (4):

(4)

а напрямні косинуси – з рівняння (5):

cos α₁ = – ((V_xм /λ) cos α∙sin (V_xм/ λ R)t₁ + V_xм) / V_t1;

cos β₁ = – ((V_xm / λ) sin α∙sin β sin (V_xм / λR)t₁ ) / V_t1;

cos γ₁ = ((V_xм/ λ) cos β∙cos (V_xм / λR)t₁) / V_t1

. (5)

П рискорення точки диска при за модулем визначають з рівнянням (6):

. (6)

З рівнянь (1-6) визначають вектори швидкостей та прискорень кожної точки сферичного диска. Ці рівняння вирішували, використовуючи ПЕОМ із застосування програмного забезпечення Maple-9. Варіюючи значеннями параметрів диска, отримували графіки траєкторій швидкості та прискорення однієї з точок диска (рис. 2). Ця методика дозволяє отримувати поле швидкостей та поле прискорень точок диска, які взаємодіють з ґрунтом. Але для цього необхідно визначити кутову швидкість диска ω експериментальним шляхом.

а б в

Рис. 2. Графік траєкторії (а) точки сферичного диска і графіки вимірювання швидкості (б) та прискорення (в) у часі.

Проаналізуємо, як зміна значення λ істотно впливає на кінематику диска, що знаходиться під кутом атаки та нахилу, на шлях взаємодії точки диска з ґрунтом (рис. 3).

Рис. 3. Проекція руху точки на крайці диска в ґрунті на площині його обертання при λ = 1 (1); λ = 1,3 (2); λ = 2 (3).

Розглянемо рух фіксованої точки на крайці диска, де при встановленні диска дискатора на глибину обробітку h, він входить у точці А (х₁) в ґрунт, а в точці В (х₂) виходить з нього. Якщо вважати, що диск знаходиться під кутом нахилу, тоді глибину обробітку запишемо як h₁= h/cos β. Визначимо час входження точки диска (t₁), та виходу точки диска (t₂). При цьому кут повороту точки диска відповідно дорівнює θ₁ та θ_2.

Визначимо момент входження точки диска в ґрунт (t₁):

= sin θ₁ ; θ₁ = arcsin ; t₁= arcsin ,

t₁ = arcsin . (7)

Далі визначимо момент виходу точки диска з ґрунту (t₂):

θ₂ = Π - θ₁; t₂= Π - θ₁; t₂ = (Π - θ₁),

t₂ = , (8)

де, П = 3,14

Тоді шлях S = х₂ - х₁ , де

x₁ = R cos α cos arcsin + λR arcsin , (9)

x₂ = R cos α∙ cos [ ] + λR [ ]. (10)

S = R cos α (cos [ ] - cos arcsin ) +

+ λR [ ]. (11)

Рівняння (11) показує, що шлях руху точки диска у ґрунті залежить від радіуса диска (R), глибини обробітку (h₁), кута атаки (α), кута нахилу до вертикальної площини (β) та кінематичного параметра λ: S = f (R,h,α,β,λ).

Якщо R = const, α = const,β = const, h₁ = const, то S = А+Вλ де,

А = R cos α (cos [ ] - cos arcsin ). (12)

В = R [ ] . (13)

Підставивши до рівнянь радіус диска R = 0,46 м та глибину обробітку h₁ = 0,1 м, ми отримаємо залежність шляху диска у ґрунті від кінематичного режиму λ (рис. 4).

З рис. 4. видно, що використання коефіцієнта кінематичного режиму дозволяє нам сформулювати, що чим більше λ, тим довший шлях руху частинки грунту відносно поверхні диска (шлях ковзання).

Рис. 4. Залежність шляху диска у ґрунті від коефіцієнта кінематичного режиму λ.

У третьому розділі «Програма та методика експериментальних досліджень» викладено програми проведення експериментальних досліджень, наведено схеми та фото приладів, обладнання лабораторних установок, які використовувались під час проведення дослідів, наведено методики проведення досліджень та обробки результатів експериментів.

Програмою досліджень передбачено виконання таких завдань: визначення тягового опору, поступової швидкості та кутової швидкості диска при різних кутах атаки (α) та кутах нахилу (β); встановлення ступеня загортання рослинних решток диском при різних кутах атаки (α) та кутах нахилу (β); дослідження на наявність прихованих періодичностей при різних кутах атаки (α) та кутах нахилу (β); дослідження швидкості розкладання рослинних решток, оброблених біодеструктором, з різною довжиною та закладених на різну глибину до ґрунту.

Експериментальні дослідження були проведені згідно з відомими методиками із застосуванням сучасної реєструючої апаратури. Для встановлення дисків зі змінними кутами атаки та нахилу була розроблена конструкція кріплення диска до рами дослідної установки, що забезпечує необхідний діапазон зміни кутів (рис. 5).

Для проведення багатофакторного експерименту використали ортогональний центральний композиційний план другого порядку для двох факторів. При польових випробуваннях інформація з датчиків переводилася в цифровий код за допомогою підсилювача-перетворювача Spider 8, де використовували програмне забезпечення Catman Express. Інформацію зберігали у форматі Exel, а обробку основних статистичних даних проводили в програмному забезпеченні Statistica 8. Був прописаний алгоритм, за допомогою якого, використавши вищеназване програмне забезпечення, одразу після вимірювання можна було вивести на екран (або на друк принтера) результати вимірювань у вигляді табличних значень, графіків середніх величин, автокореляційних функцій, спектральних щільностей та поверхонь відгуку змінних.

Рис. 5. Конструкційне рішення установки кутів α та β сферичних дисків на рамі польової установки:

1 - датчик кутової швидкості; 2 – тензоланка; 3 - п'яте колесо.

1

2

3

Для визначення залежності кількості загортання рослинних решток від кутів встановлення диска провели експеримент. Діапазон кутів був вибраний в межах 10°-30°. Якщо для зміни кута атаки (α) передбачена стандартна конструкція, то для зміни кута нахилу (β) були виготовлені стояки з різними кутами нахилу.

Якість загортання визначали з різниці загорнених рослиних решток у ґрунт та тих, що залишались на поверхні після проходу агрегату. Для цього на кожному зарахунковому проході агрегату на дільниці 0,5 х 0,5 м збирали незагорнуті рослинні рештки, потім виймали з ґрунту загорнені рослинні рештки, які знаходилися в межах 10 см (вплив кутів атаки та нахилу диска досліджували під час роботи дослідної установки саме на таку глибину). Далі просіювали рослинні рештки крізь сито для сепарування від ґрунту та зважували. Повторність виміру – трикратна.

Масову частку загорнених рослинних решток К у відсотках обчислювали за формулою (14):

, (14)

де, q₁ – маса рослинних решток, не загорнених у ґрунт, г;

q₂ – маса рослинних решток, загорнених у ґрунт, г.

Особливі вимоги існують для визначення зусиль, що діють на диски. Оцінка характеру сил опору ґрунту при взаємодії з дисками (змінних, постійних, ударних) потрібна не лише для визначення енергетичних параметрів, але й для розрахунку конструкцій на міцність. Частота обертання диска залежить від кінематичного режиму λ як безрозмірної величини. Тоді для диска будь-якого діаметра, отримаємо: n = 30 V_хм/Π λR. Число циклів повторного навантаження відповідає частоті прихованої періодичності. Використавши методи теорії випадкових функцій, характер навантаження визначали при спектральному аналізі діючої сили. Для цього необхідно було експериментально визначити сили які діють на вісь диска методами випадкових функцій, часову (дослідження процесів у часі) та частотну (дослідження частотних властивостей сигналів) характеристики. Часову характеристику стаціонарного процесу визначали з кореляційної функції, а частотні властивості визначали зі спектральної щільності.

Для дослідження розкладання рослинних решток, оброблених біодеструктором, необхідно було визначити параметри довжини рослинних решток та глибину, на яку їх слід загортати в ґрунт, щоб створити оптимальні умови для посіву наступної озимої або ярої культури. Необхідно розробити статистичні моделі розкладання рослинних решток, оброблених біодеструктором, для умов лісостепової зони України (рис 6).

а б в г

Рис. 6. Дослідження з розкладання рослинних решток, оброблених біодеструктором:

а) мішки з рослинними рештками; б) загортання рослинних решток на різну глибину; в) рослинні рештки загорнені до грунту; г) відбір проб.

Рослинні рештки оброблялися біодеструктором «Стернифаг» з пропорцією 200-250 л/га. Межі ділянок фіксували граничними стовпчиками. Кожен наступний місяць проводили відбір проб на ділянках.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень» наведено результати лабораторно-польових досліджень впливу кутів атаки (α) та кутів нахилу (β) сферичних дисків на показники якості виконання процесу загортання рослинних решток у ґрунт, оброблений біодеструктором, та визначено раціональні параметри та режими роботи нового дискатора.

В результаті експериментальних досліджень отримані рівняння регресії тягового опору (15) та коефіцієнта кінематичного режиму (16):

Р = 183,53+20,67 х₁ + 40,05 х₂ +5,18 х₁² + 6,89 х₂² – 12 х₁ х₂ . (15)

λ = 1,45 – 0,288 х₁ – 0,198 х₂ + 0,15 х₁² + 0,06 х₂² + 0,052 х₁ х₂ , (16)

де, х₁ – кут атаки (α) диска;

х₂ – кут нахилу (β) диска.

На основі обробки експериментальних даних встановлено діапазон оптимальних значень кутів для загортання рослинних решток у грунт з мінімальними витратами (рис. 7).

Рис. 7. Загортання рослинних решток у грунт, тяговий опір та коефіцієнт кінематичного режиму в залежності від кутів установлення диска.

Було виявлено, що кути атаки та нахилу, менші встановленого діапазону, не виконують якісного загортання рослинних решток, а збільшення кутів веде до підвищеного тягового зусилля. Оптимальні значення λ були виявлені в межах 1,3-1,6.

Дослідження на наявність прихованих періодічностей тягового опору, поступальної швидкості та кінематичного режиму проводили в програмі Statistica (рис 8-9).

Рис. 8. Автокореляційні функцій тягового опору.

Рис. 9. Спектральна щільність тягового опору.

Результати доліджень у вигляді автокореляційних функцій та спектральних щільностей дають змогу визначити діапазон кутів встановлення дисків, що не призводять до прихованих періодичностей.

За результатами лабораторно-польових досліджень швидкості розкладання рослинних решток, оброблених біодеструктором (по місяцях), вирахувані з рівняння регресії (17-21) та поверхні відгуку (рис 10).

у_{вересень} = 9,37-075 +0,909 +0,087 -1,134 -0,4145 , (17)

_{ужовтень} =8,15 -0,63 +0,6379 +0,44 -0,062 -0,314 , (18)

у_{листопад} =3,75-0,809 +0,59 + 1,37 -1,92 -0,04325 , (19)

у_{грудень} = 3,716-0,835312 -0,111 + 1,89 -0,55 +0,8595 , (20)

у_{березень} = 2,97-0,294 +0,268 -0,617 -0,646 -0,406 , (21)

де, х₁ – глибина загортання рослинних решток (h) у грунт;

х₂ – довжина рослинних решток (l).

а б в г д

Рис. 10. Моделі розкладання рослинних решток по місяцях:

а) вересень, б) жовтень; в) листопад; г) грудень; д) березень.

При цьому виявлено, що розкладання рослинних решток пшениці, оброблених біодеструктором, найбільш інтенсивно відбувається у перший місяць при глибині загортання 9 см і довжині часток 5 см. В наступні осінні місяці найбільш інтенсивне розкладання відбувається при глибині загортання 7-9 см і довжині часток 5-10 см. У весняний період – на глибині до 5 см і при довжині часток до 10 см відбувається найбільш інтенсивне розкладання рослинних решток. Це дозволяє нам сформулювати вимоги до загортання рослинних решток під озимі та ярові культури.

У п'ятому розділі «Техніко-економічне обґрунтування ефективності нової машини для загортання рослинних решток, оброблених біодеструктором» за результатами проведених досліджень розроблена конструкція експериментального зразка, в якому використані кути встановлення дисків з обргунтованими в роботі конструкційними параметрами (таблиця 1).

Таблиця 1

Параметри встановлення сферичних дисків D = 460 мм які забезпечують необхідну якість загортання в ґрунт рослинних решток, обробленими біодеструктором, з мінімальними енерговитратами

Параметр	Розрахункова формула, або номер формули у авторефераті	Прийняте значення
Відстань між дисками, м	в	в= 0,3 м
Тяговий опір дисків Кінематичний параметр диска	(15) (16)	α = 20°-30° β = 15°-20°
Загортання рослинних решток, %		К= 55-70%
Модель розкладання рослинних решток: Для озимих Для ярових	(17) (21)	h = 7-8 см l = 5 см h= 5 см l = 10 см

На підприємстві «Агрореммаш» був виготовлений ґрунтообробний агрегат для загортання до ґрунту рослинних решток, оброблених біодеструктором АГБЗ-4,5 (рис 11).

Рис. 11. Ґрунтообробний агрегат АГБЗ-4,5.

Розрахунки економічної ефективності від впровадження результатів роботи свідчать про можливість отримання річного економічного ефекту в розмірі 11634,84 грн.