Обробка кореневмісного шару ґрунту

Работа из раздела: «Сельское, лесное хозяйство и землепользование»

Содержание

Вступ
Розділ 1. Характеристика базового підприємства
1.1 Загальна характеристика
1.2 Склад машинно-тракторного парку підприємства
1.3 Ремонтно - обслуговуюча база підприємства
Висновки до розділу 1
Розділ 2. Стан та перспективи застосування ротаційних робочих органів
2.1 Агротехнологічні особливості обробітку ґрунтів
2.2 Аналіз конструкцій ротаційних робочих органів ґрунтообробних машин
2.3 Аналіз досліджень впливу форми робочої поверхні ґрунтообробних органів на параметри обробітку
Висновки до розділу 2
Розділ 3. Дослідження процесу роботи ротаційного грунтообробного робочого органу із криволінійною поверхнею
3.1 Дослідження геометрії робочої поверхні ґрунтообробних органів
3.2 Визначення основних геометричних параметрів ротаційного робочого органу із криволінійною поверхнею
3.3 Обґрунтування конструкції ротаційного робочого органу із криволінійною поверхнею для ґрунтових умов Полісся України
Висновки до розділу 3
Розділ 4. Результати експериментальних досліджень та їх аналіз
4.1 Дослідження агротехнологічних показників якості обробітку ґрунту
Висновки до розділу 4
Розділ 5. Техніко-економічна ефективність застосування грунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею
Висновки до розділу 5
Висновок
Список інформаційних джерел

Вступ

Актуальність теми. Обробіток ґрунту один з важливих складників в системі агротехнічних заходів у виробництві продукції рослинництва. Саме цей складник спрямований на покращення всього комплексу умов розвитку рослин. Зміна властивостей орного шару ґрунту, за допомогою механічного обробітку, забезпечує найбільш сприятливі умови для протікання біологічних та фізико-хімічних процесів у ґрунті. В системі основного та передпосівного обробітків ґрунту на Україні, в цілому, та в зоні Полісся, зокрема, широкого застосування набуває обробіток ґрунту знаряддями з ротаційними робочими органами. Використання цих знарядь забезпечує скорочення термінів підготовки ґрунту до посіву, зниження енерговитрат та витрат праці на 20.25%, в порівнянні, з іншими типами ґрунтообробних машин. Однак, в силу своїх конструкційних особливостей ґрунтообробні знаряддя оснащені серійними робочими органами не повною мірою забезпечують агротехнічні вимоги стосовно заробки добрив, рослинних решток, гербіцидєв тощо; а також призводять до часткового руйнування агрономічно цінних структурних формувань ґрунту, особливо малозв'язних дерново-підзолистих ґрунтів. Так, при заробці органічних добрив дисковою бороною в поверхневому шарі ґрунту (0.6 см), залишається до 75% внесених добрив, що значно зменшує ефективність їх використання сільськогосподарськими рослинами. Тому необхідним є обґрунтування робочих процесів ротаційного обробітку спрямованих на покращення показників обертання скиби та розробка конструкцій відповідних робочих органів, що забезпечували б достатню якість обробітку ґрунту за основними агротехнологічними показниками.

Мета роботи. Підвищення якості обробітку кореневмісного шару ґрунту та оптимізація його агротехнологічних властивостей шляхом застосування ґрунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею.

Задачі досліджень.

1. Виконати аналіз стану базового господарства та дати висновок про можливість застосування ґрунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами.

2. Проаналізувати стан та перспективи застосування ротаційних робочих органів в конкретних ґрунтових умовах та виконати аналіз досліджень впливу форми робочої поверхні ґрунтообробних органів на параметри обробітку.

3. Обґрунтувати процес роботи та конструкційно-технологічні параметри ротаційного робочого органу з криволінійною поверхнею для грунтово-кліматичних умов Полісся України.

4. Експериментально визначити вплив параметрів ротаційних робочих органів із криволінійною робочою поверхнею на якість обробітку ґрунту та експлуатаційно-енергетичні показники процесу роботи ґрунтообробного знаряддя. Виконати порівняльні дослідження пропонованого робочого органу з серійними ротаційними робочими органами ґрунтообробних знарядь.

5. Визначити техніко-економічну ефективність застосування ґрунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею в умовах Полісся України.

Об'єкт досліджень. Процес роботи, конструкційні та технологічні параметри ротаційних робочих органів із криволінійною поверхнею.

Предмет досліджень. Динаміка агротехнологічних показників обробітку кореневмісного шару ґрунту в процесі взаємодії робочого органу з оброблюваним профілем ґрунту.

Методи досліджень. Аналіз робочого процесу та параметрів розробленого робочого органу виконувався із застосуванням аналітичних основ землеробської механіки та теоретичних основ пружно-в'язко-пластичного руйнування ґрунтового середовища з урахуванням його напружено-деформованого стану, методів числового-імітаційного та фізичного моделювання, загальної теорії подібності. Експериментальні дослідження виконувались в лабораторно-польових умовах з використанням експериментального обладнання, дослідних зразків ґрунтообробних знарядь оснащених пропонованими робочими органами. Отримані дані оброблені методами математичного аналізу та ймовірносно-статистичними методами.

Новизна одержаних результатів. Встановлено закономірності, що характеризують взаємодію криволінійної поверхні робочого органу з ґрунтом. Аналітично обґрунтовано профіль робочої поверхні пропонованого ґрунтообробного органу. Експериментально визначено агротехнічні та енергетичні показники виконання технологічного процесу обробітку ґрунту знаряддями оснащеними ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею.

Особистий внесок. Основні результати магістерської роботи отримані автором самостійно, а саме: проведено аналіз роботи ґрунтообробних робочих органів ротаційного типу; обґрунтовано раціональну геометричну форму робочої поверхні ґрунтообробного органу; визначено основні конструкційні параметри робочого органу; виконано конструкційні розрахунки робочого органу; визначено техніко-економічні показники роботи ґрунтообробного знаряддя з ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею у порівнянні з серійним знаряддям.

Розділ 1. Характеристика базового підприємства

1.1 Загальна характеристика

ПСП ”Прогрес” розташоване в південно-західній частині Житомирської області в селі Кашперівка Баранівського району яке розташоване на відстані 88 км від обласного центру і 8 км від районного центру. Основні бази постачання і збуту сільськогосподарської продукції знаходяться в районному та обласному центрах. Головними напрямками підприємтсва є вирощування зернових культур (таблиця 1.1). Село зв`язане з районним і обласним центрами дорогами з асфальтним и покриттями. В самому селі дороги прокладені у вигляді бруківки, що безпосередньо добре впливає на транспортування с. - г. продукції.

За багаторічними даними середньорічна температура повітря становить +8 С. Період року з температурою вище нуля досягає 248 днів, а вище 5 градусів - 200 днів. Сума тепла за вегетаційний період становить близько 2850 градусів. Відносна вологість повітря мінімальна в травні - 50%, і максимальна в січні та грудні - 87%.

Провідне місце в економіці району займає сільське господарство. В агропромисловий комплекс району входять 42 підприємств, у т. ч: - 6 сільськогосподарських товариств 6 сільськогосподарських виробничих кооперативів. - 7 приватних сільськогосподарських підприємств.

2 державні сільськогосподарські підприємства.20 фермерські господарства. Основні напрями розвитку: вирощування зернових культур та кукурудзи.

Судячи з інформації поданої вище можна зробити висновок про те, що умови розташування господарства сприяють вирощуванню сільськогосподарських культур у достатній для господарства кількості.

кореневмісний шар грунт обробка

Господарство потребує нових спеціалістів, механізаторів, оскільки основну частину робітників на підприємстві складають робітники пенсійного віку.

Таблиця 1.1

Структура сільськогосподарських угідь ПСП ”Прогрес”

Земельні угіддя та культура	Площа	Урожайність, ц/га
	га	%
1. Загальна земельна площа	9500	100
2. Сільськогосподарські культури: 2.1 озима пшениця 2.2 ячмінь 2.3 кукурудза	95 6500 1300 105	1 76 27 1	50,5 40,3 30,6

Проаналізувавши дані таблиці 1.1 робимо висновок що розміри господарства за остані роки не змінились. Сукупність предметів і засобів праці, а також земельних і водних ресурсів, за допомогою яких працюючі в галузях рослинництва виробляють необхідні види продукції для власного споживання та сировину для промислових переробних підприємств. МТБ сільського господарства створюється за рахунок державних і недержавних коштів.

Матеріально-технічна база (МТБ) сільського господарства - це капіталовкладення, власних оборотних коштів підприємств, лізингового і банківського кредитування. По натурально-майнових ознаках до її складу відносяться силові і робочі машини, обладнання, прилади, транспортні засоби, виробничі і культурно-побутові будівлі і споруди, робочі та продуктивні тварини, багаторічні насадження, виробничі засоби гідромеліорації, а також насіння, корми, хімічні засоби підвищення родючості ґрунтів і продуктивності тварин, сировина, паливо, мастильні матеріали, витрати на капіталовкладення та по формуванню основного стада тварин і птиці. Найважливішою складовою МТБ є земля, як основний засіб виробництва, і вода.

В машино тракторному парку підприємства розташована ремонтна майстерня разом з заправкою та складом паливо мастильних матеріалів. Також там же розташовані бокси та навіси для зберігання техніки. Перелік та маркування техніки подане нище в таблиці 1.2

1.2 Склад машинно-тракторного парку підприємства

Таблиця 1.2

Характеристика парку тракторів (по видах та марках). Перелік та маркування техніки

№ п/п	Марка трактора	Кількість, шт	Коефіцієнт переводу в еталонний	Кількість еталонних тракторів
1.	К-701	5	3,23	16,15
2.	Т-150К	6	2,63	15,78
3.	МТЗ-100	6	0,73	4,38
4.	МТЗ-82	7	0,73	5,11
5.	МТЗ-80	8	0,73	5,84
6.	Т-25	8	0,25	2
Всього	40	8,3	49,26

Аналіз тракторного парку показує, що в господарстві достатня кількість тракторів, деякі з них застаріли, як фізично так і морально, але до використання придатні. Наявні також і досить нові трактори іноземного виробництва, які є на порядок продуктивніші за вітчизняні.

Таблиця 1.3

Характеристика автомобільного парку в господарстві

№ п. п.	Марка автомобіля	Кількість, шт	Тип автомобіля	Напрацювання до КР, тис. км.
1. 2. 3.	КАМАЗ-5414 МАЗ-5510 ГАЗ-53Б	8 6 9	Бортовий Тягач Самосвал	210 120 190
Всього	32		520

Аналіз автомобільного парку показує, що в господарстві достатня кількість автомобілів, деякі з них також вже застаріли і потребують заміни на нові. Наявність комбайнів, які є в ПСП ”Прогрес” наведено нижче в таблиці 1.4

1.3 Ремонтно - обслуговуюча база підприємства

Ремонтно-обслуговуюча (ремонтно-технічна) база включає цехи, майстерні, пункти ТО, автогаражі, склади та інші споруди і об'єкти, а також пересувні агрегати, призначені для ТО, ремонту і зберігання машин. До об'єктів ремонтно-обслуговуючої бази належать:

- ремонтна майстерня загального призначення;

- станція технічного обслуговування тракторів (СТОТ);

- станція технічного обслуговування автомобілів (СТОА);

- станція технічного обслуговування машин та обладнання (СТОМО);

- цех по ремонту комбайнів та інших складних машин;

- пересувні засоби технічного обслуговування та ремонту;

- технічний обмінний пункт (ТОП) та інші об'єкти.

Таблиця 1.4

Характеристика парку сільськогосподарських машин

Назва машини	Марка машини	Кількість машин, шт
Плуги	ПЛН-4-35	4
Культиватори	КРН-5,6А КРН-2,8	6 5
Сівалки	СЗП-3.6Б СКНК-8	5 4
Обприскувачі	ОП-2000	3
Котки	КШУ-12	3
Дискові борони	БДТ-3 БДТ-7 БДН-1.8	4 1 1
Навантажувачі	ЗМ-60	4
Зернозбиральні камбайни	ДОН-1500Б CLAAS MEGA 360 СК-5М КСК-100	5 8 6 5

Господарство має базу, яка достатня для повноцінного проведення ТО і ремонту техніки. Там розміщені стаціонарні пункти ТО МТП; в господарстві наявні пересувні засоби ТО. ТО та інші види ремонтів виконує обслуговуючий персонал. ТО проводять для техніки в встановлені строки, як регламентуються в їх НТД. Сільськогосподарська техніка зберігається у боксах та на відкритих майданчиках.

Всі техніко-економічні показники діляться на дві групи: абсолютні і відносні. До абсолютних показників відносяться: загальні засоби підприємства, які включають вартість будов та споруд, вартість обладнання, пристроїв, інструменту: загальне число обслуговуючого персоналу, площі підприємства. До відносних показників відносяться: прибуток, річна економія господарства, собівартість ремонту, коефіцієнт використання площі. На основі даних показників визначають річний економічний ефект господарства.

Як відомо основними затратами господарства є затрати на виробництво продукції, тобто затрати на техніку, її ремонт і ТО, а також на процеси механізації, які протікають всередині самого господарства.

Основним шляхом зниження втрат на ремонт сільськогосподарської техніки є висока організація праці, заміна старого обладнання на нове, зменшення трудомісткості даних процесів.

Висновки до розділу 1

Аналіз організаційно-економічного стану базового підприємства вказує на те, що в даному господарстві присутня технічна та матеріальна база для рослинництва. Разом з цим, застосовувані в господарстві технології вирощування та збирання сільськогосподарських культур мають ряд організаційних, технологічних і технічних недоліків, має місце велика кількість операцій по підготовці ґрунту і догляду за рослинами, неякісне їх виконання, не завжди раціонально і в недостатній кількості використовуються мінеральні, органічні добрива і гербіциди, що призводить до низької врожайності та високої собівартості сільськогосподарської продукції.

Розділ 2. Стан та перспективи застосування ротаційних робочих органів

2.1 Агротехнологічні особливості обробітку ґрунтів

З огляду на те, що ґрунт необхідно розглядати, як важливу складову природно-виробничої агроекосистеми, головним призначенням якої є максимальне нагромадження енергії рослинними організмами [1], продуктивна сталість агроекосистеми має супроводжуватись розширеним відтворенням загальної маси органічної речовини ґрунту, в тому числі найбільш визначальної щодо агроекологічних властивостей її частини - гумусу. Інтенсифікація землеробства, в умовах прогресуючої деградації ґрунтового покриву, навпаки, призвела до дегуміфікації дерново-підзолистих ґрунтів.

Дослідження [2], щодо впливу глибини заробки сидеральних добрив (зелена маса донника) на ґрунтах з невеликою потужністю біологічно активного шару свідчать, що при зменшенні глибини загортання сидерату з 27 до 16 см, урожайність ярої пшениці збільшилась на 19,5%, що пояснюється інтенсифікацією процесів накопичення вологи та мобілізації доступного фосфору і калію в поверхневому шарі ґрунту.

За даними [3] розкладання рослинних залишків в ґрунті відбувається найінтенсивніше за умов їх заробки на глибину 8.12 см.

Наукова робота [4], свідчить що мінімізація обробітку ґрунту з заробкою рослинних решток в поверхневому шарі ґрунту (0-14 см), підвищує його демпферні властивості щодо техногенного переущільнення.

Дослідження [5] впливс різних систем обробітку дерново-підзолистих суглинкових ґрунтів на урожайність сільськогосподарських культур (табл.2.1) показали, що поверхневий обробіток підвищує урожайність за рахунок створення оптимальних умов приповерхневого розвитку коренів та покращення умов живлення рослин.

Досліди [6] (табл.2.2) показали, що підвищення урожайності при одноразовому дискуванні пояснюється більш раціональним використанням вологи та поліпшенням водно-фізичних властивостей ґрунту.

Загалом перспективність застосування в умовах Полісся України ротаційного обробітку ґрунту, одним із видів якого є обробіток дисковими ґрунтообробними знаряддями підтверджено також роботами [5, 1, 6, 7, 8].

Таблиця 2.1

Урожайність (ц/га) культур в ланці сівозміни за різноманітних способів основного обробітку ґрунту

Варіант обробітку грнунту	І - закладення досліду	ІІ - закладення досліду
	однорічні трави (сіно)	озима пшениця (зерно)	ярий ячмінь (зерно)	конюшина (сіно)	однорічні трави (сіно)	озима пшениця (зерно)	ярий ячмінь (зерно)
Прямий посів	26,9	42,8	33,3	69,9	22,8	37,3	30,0
Поверхневий на 8-10 см	27,6	46,7	29,5	71,5	20,2	38,0	39,7
Безполицева різноглибинна	25,4	45,8	29,8	73,2	22,3	37,1	36,6
Комбінована різноглибинна	25,8	45,9	30,8	72,2	24,9	37,9	36,2

Таблиця 2.2

Продуктивність пожнивних посівів, ц/га (середня за 1997-1999 рр.)

Способи обробітку ґрунту	Трьохкомпонентна суміш (кукурудза+соя+суданська трава)	Чотирьохкомпонентна суміш (кукурудза+соя+суданська трава+соняшник)
Полицева оранка (контроль)	230	380
Одноразове дискування	410	680
Трьохразове дискування	270	480
Посів без обробітку	290	405

Однак, сучасні дискові борони в силу своїх конструкційних особливостей, мають недостатні обертаючі властивості, що засвідчують дослідження [9] (табл. 2.3).

Таблиця 2.3

Розміщення добрив (%) в орному шарі в залежності від способу заробки

Глибина заробки, см	Спосіб заробки
	легкою бороною	роторною важкою бороною	важким культиватором	плугом	плугом з передплужником
0.3	98	75	55	11	3
3.6	2	22	21	12	4
6.9	-	3	21	16	12
9.12	-	-	1	16	14
12.15	-	-	-	23	20
15.20	-	-	-	22	47

При заробці дисковою бороною в верхньому шарі залишається 75-97% внесених добрив, що значно зменшує ефективність їх використання (табл. 2.4).

Таблиця. 2.4

Вміст мінеральних речовин (%) і врожайність проса (кг/м³) залежно від щільності складення орного шару і глибини внесення NPK

Глибина внесення NPK	Оптимальна щільність (1,15-1,25 г/см²)	Маса зерна (кг/м³)	Підвищена щільність (1,35-1,45 г/см²)	Маса зерна (кг/м³)
	N	P₂O₅	K₂O		N	P₂O₅	K₂O
0-5	2,11	1,23	2,10	0,77	2,34	1,17	2,03	0,35
0-15	3,01	1,48	3,09	1,41	2,42	1,50	2,21	0,49
25-30	2,92	1,42	2,91	1,08	2,40	1,34	2,25	0,49
0-30	3,06	1,39	2,63	1, 20	3,01	1,36	3,01	0,49

Аналогічні результати отримані при дослідженні [10] ефективності дії гербіцидів в залежності від глибини їх загортання, (табл.2.5).

Таблиця.2.5

Ефективність гербіциду 'Трефлан' на посівах ріпаку в залежності від способу його заробки в ґрунт та типу знаряддя.

Варіант досліду	Кількість бур'янів, через 30 днів після обробітку, шт/м³	Загибель бур'янів % до:	Урожайність насіння при 12% вологості, ц/га
гербіцид	знаряддя		еталону	контролю
Трефлан	Без заробки (контроль)	60,4	-	0	19,7
Без гербіциду	Культиватор (еталон)	74,0	0	-	19,9
Трефлан	Культиватор	48,0	35,1	20,5	21,0
Без гербіциду	Дискова борона	69,3	0	-	20,3
Трефлан	Дискова борона	42,9	38,1	29,0	24,2
Без гербіциду	Зубова борона	79,3	0	-	191
Трефлан	Зубова борона	50,3	36,6	16,7	19,9
Без гербіциду	ВИП-3,6	78,1	0	-	24,0
Трефлан	ВИП-3,6	32,6	58,3	46,0	26,0

Отже, результати наукових досліджень та вивчення практичного досвіду свідчать про ефективність застосування поверхневих ротаційних обробітків в системах основного та передпосівного обробітку ґрунту в зоні Полісся України. Однак, застосовувані знаряддя з серійними робочими органами не повною мірою задовольняють агротехнічним вимогам щодо заробки добрив, рослинних решток, сидератів, гербіцидів. Тому необхідне обґрунтування робочих процесів спрямованих на покращення заробки та розробка ротаційних органів ґрунтообробних машин відповідно до зазначених ґрунтових умов.

2.2 Аналіз конструкцій ротаційних робочих органів ґрунтообробних машин

Зональність сільськогосподарського виробництва та різноманітні технологічні вимоги, зумовлені конкретними морфологічними, ґрунтовими, геологічними та іншими умовами, спрямованими на покращення сільськогосподарських угідь, оптимізацію водно-повітряного режиму використовуваних земель, а в системах обробітку ґрунту на запобігання водній та вітровій ерозії обумовили, відповідно наявність широкого спектру ґрунтообробних знарядь з ротаційними робочими органами [7, 11].

Ротаційні ґрунтообробні знаряддя можна поділити на два класи: знаряддя з активними робочими органами та знаряддя з пасивними робочими органами. Активні робочі органи ротаційних ґрунтообробних знарядь мають ряд недоліків, які полягають в підвищеній нетехнологічності виготовлення цих знарядь, і як наслідок, великої їх вартості, а також додаткових витратах енергії, пов'язаних з наданням робочим органам примусового обертового руху від джерел енергії (валу відбору потужності трактора), що призводить до підвищення вартості виконання технологічних операцій обробітку ґрунту.

Обробіток ґрунту пасивними ротаційними робочими органами потребує значно менших енерговитрат, не лише в порівнянні з активними роторами, а й з іншими ґрунтообробними знаряддями пасивного типу (табл. 2.6, [12]). Згідно прогнозу перспективного співвідношення ґрунтообробних знарядь, які застосовуються в системі основного обробітку ґрунту в умовах України, ротаційному обробітку важкими дисковими боронами відводиться досить значна частка - понад 20% (рис.2.1).

Основні типи дисків та їх конструкційні параметри визначені ОСТ23.2.147-85 [13]. Відповідно до цього стандарту встановлюються такі типи дисків ґрунтообробних машин: тип 'А' - плоскі диски з центральним отвором та декількома кріпильними отворами; тип 'В' - сферичні диски; тип 'С' - сферичні диски з плоским днищем; 'D' - сферичні диски з ексцентричним плоским диском та квадратним отвором; тип 'Е' - плоско-сферичні диски.

Таблиця 2.6

Експлуатаційні та еколого-технологічні показники способів обробітку ґрунту з використанням ґрунтообробних робочих органів різних типів

Показник	Спосіб обробітку (робочий орган)
	полицевий обробіток (плужний корпус з полицею культурного типу)	безполицевий обробіток (плоскорізальна лапа глибокорозпушувача)	поверхневий обробіток (ротор активного типу ґрунтообробної фрези)	поверхневий обробіток (сферичний вирізний диск роторної борони)
Енергоємність основного обробітку ґрунту під озиму пшеницю, МДж/га	720.860	670.840	915.1200	200.250
Продуктивність агрегату за 1 годину основного часу, га/год	до 1,2	до 1,8	до 1,6	до 4,9
Середньоквадратичне відхилення поверхні обробленого поля, см	6,5.8,0	4,6.5,0	2,0.3,0	3,0.4,5
Ступінь підрізання коріння бур'янів, %	90.95	80.90	93.97	70.75
Змив ґрунту, м³/га	7,1.7,5	0,9.1,2	7,5.9,5	5,1.6,1
Ступінь заробки верхнього шару ґрунту, %	до 100	0.5	25.50	20.25

Рис. 2.1 Прогноз перспективного співвідношення застосування ґрунтообробних знарядь

Деякі найхарактерніші стандартні ротаційні робочі органи, які встановлюються на секціях ґрунтообробних знарядь, та характеристика розподілення в ґрунті органічних речовин [14] при їх роботі, наведені в табл. 2.7

Заслуговують на увагу, також, деякі перспективні конструкції ротаційних робочих органів, спрямовані на покращення агротехнологічних показників щодо розподілення органічних речовин.

Так, робочий орган [15] (рис. 2.2) складається із закріпленого на осі 1 сферичного диску 2 з ріжучою кромкою 3, виконаного з радіальними трапецеїдальними вікнами 4. Більша основа 5 кожного вікна 4 звернена до ріжучої кромки диску, а бічні ріжучі кромки 6 та 7 кожного вікна відігнуті в протилежні боки відносно робочої поверхні диску. Суміжні вікна 4 диска мають різну висоту.

Таблиця 2.7

Ротаційні робочі органи, які встановлюють на секціях ґрунтообробних знарядь

Робочий орган	Основне призначення	Характеристика розподілення органічних речовин
1	2	3
Сферичний диск 1	Встановлюється на плугах, для оранки важких перезволожених грунтів.	Незадовільне розподі-лення органічних речо-вин, яке залежить від стану поверхні поля.
Сферичний диск 2	Встановлюється на лу-щильниках та боронах, для лущення стерні, розпушування ґрунту	Задовільне розподілення органічних речовин, яке різко зменшується в нижніх шарах профілю, що обробляється
Вирізний диск	Встановлюється на лу-щильниках та боронах, для лущення стерні, розпушування ґрунту	Задовільне розподілення органічних речовин, яке різко зменшується в нижніх шарах профілю, що обробляється
Голчастий диск	Встановлюється на ротаційну мотику, голчасту борону, культиватор, для руйнування ґрунтової кірки (рух за А), роз-пушування ґрунту, знищення коренів бур'янів (рух за Б)	Обмежене незначною глибиною обробітку та особливостями робочого процесу
Плоский диск	Використовується в яко-сті дискових ножів на плугах	Практично відсутня за-робка органічних речо-вин
'Зірчастий' ротор	Встановлюється на лу-щильниках та боронах, для лущення стерні, розпушування ґрунту, з мінімальним рівнем руйнування агрономічно цінної структури ґрунту	Незадовільне розподі-лення органічних речо-вин, обмежене особли-востями процесу роботи
'Кільцевий' ротор	Встановлюється на лу-щильниках та боронах, для лущення стерні, розпушування ґрунту в режимі відриву, з мінімальним рівнем руйнування агрономічно цінної структури ґрунту	Незадовільне розподі-лення органічних речо-вин, скиба ґрунту практично не обертається

Диски можуть встановлюватись в батареї і бути виконані вирізними по периферії. Обертаючись, диск 2 виконує своєю ріжучою кромкою 3 звичайне дискування ґрунту при цьому отвори 5 за допомогою кромок 7 і 8 частково обертають ґрунт і рівномірно розподіляють його по поверхні поля. Однак, конструкційні особливості такого робочого органу зумовлюють забивання його рослинними рештками та залипання в силу недостатніх геометричних розмірів вікна 5.

Рис. 2.2 Ротаційний робочий орган з вирізами у вигляді радіальних трапецевидних вікон

Ґрунтообробне знаряддя [16] (рис.2.3.) складається з опорних коліс 1 або пруткових котків 2, механізму навіски 3 рами 4 і розміщених в два ряди поперек руху напівсферичних кілець 5 з механізмами 6 та 7 регулювання кута атаки б і кута нахилу в до горизонтальної площини, відповідно. Робочі органи 5, підрізають ґрунтовий пласт, кришать, підіймають його увігнутою сферичною поверхнею, обертають і скидають на дно борозни, однак наявність двох кутів регулювання (б, в) підвищує складність підготовки його до роботи, а знаходження в робочій зоні підшипникового вузла збільшує ймовірність його залипання грунтом.

Ротаційно-зубовий робочий орган (рис. 2.4) [17] складається з ступиці 1 з квадратним отвором 4, оснащеної зубами 2, які виконані з різальною кромкою 3. Кінці зубів 2 розвернуті відносно поздовжньої осі 5 і відхилені в протилежних напрямках від площини ступиці 1, за рахунок чого в процесі роботи виконується поперечне зміщення ґрунту, що сприяє доброму перемішуванню верхнього шару ґрунту в горизонтальній площині. Відсоток заробки рослинних решток незначний внаслідок невеликої ширини робочої поверхні зубів 2.

Рис. 2.3 Ґрунтообробне знаряддя з двома ступенями регулювання кута встановлення робочих органів

Рис. 2.4 Ротаційно-зубовий робочий орган

Відомий робочий орган [18] (рис. 2.5), який складається з диску 1 на якому під деяким кутом в до площини обертання даного ротора встановлені зуби 2, які за рахунок гвинтової форми робочої поверхні, обертаючись в шарі ґрунту, розпушують його. В силу конструкційних особливостей (незначна ширина робочої поверхні) такі робочі органи мають невелику загортаючу здатність.

Рис. 2.5 Ротаційно-зубовий робочий ґрунтообробний орган

Робочий орган [19] (рис. 2.6) ротаційного ґрунтообробного знаряддя містить встановлений на горизонтальній осі несучий елемент 1, в формі циліндра, на поверхні якого під кутом б до площини обертання та під кутом ш до його твірної закріплено ножі 2, які при виході з ґрунту працюють в режимі відриву, що призводить до зменшення енергомісткості процесу Відомий ротаційно-ножовий робочий орган [20], який складається з основи 1 у вигляді диску, ножів 2 в яких передні різальні кромки 3 виконано за спіраллю Архімеда (рис. 2.7), які подрібнюють великі грудки, вирівнюють поверхню поля і загортають попередньо розкиданні по поверхні поля добрива. Конструкційною особливістю такого робочого органу є зменшення ширини робочої поверхні ножа в напрямку до периметра робочого органу, що призводить до зниження однорідності обробітку ґрунту.

Недоліком такого робочого органу є те що при виході ножу 2 з ґрунту відсутнє бічне переміщення скиби і, як наслідок, відбувається неповне загортання добрив та рослинних решток.

Рис. 2.6 Ротаційно-ножовий робочий орган

Рис. 2.7 Ротаційно-ножовий ґрунтообробний робочий орган

Цікавим, з точки зору виконуваного робочого процесу є також, робочий орган (рис. 2.8) ґрунтообробного знаряддя, яке складається з встановленої на рамі 1 осі 2 з втулками 3, на яких закріплено диски 4, оснащені трапецеїдальними ножами 5 з кутом растру б=120?.130?. За рахунок збільшення ширини робочої поверхні ножа 5 в напрямку до периметру, знаряддя забезпечує рівномірність обробітку приповерхневого шару ґрунту, однак, через плоску форму ножів 5 знаряддя має незначний показник заробки.

Рис. 2.8 Секція ґрунтообробного знаряддя з ротаційно-ножовим робочим органом

Ґрунтообробний ротаційний робочий орган має робочу поверхню виконану у формі гелікоїда. Такий робочий орган досить добре перемішує ґрунт, переміщуючи його в поздовжньому напрямку. Однак, в силу особливостей процесу роботи він не забезпечує достатнє обертання оброблюваної скиби ґрунту.

Рис. 2.9 Гвинтовий ґрунтообробний робочий орган

Отже на підставі аналізу існуючих конструкцій робочих органів ротаційних ґрунтообробних знарядь та за результатами порівняльних оцінок (табл. 2.6, табл. 2.7) можна зробити висновок про перспективність використання робочих органів ротаційного типу в зоні Полісся України. Однак, проаналізовані типи конструкцій як серійних машин так і пропонованих ротаційних робочих органів, з огляду на особливості їх робочих процесів, не повною мірою забезпечують агротехнічні вимоги стосовно заробки добрив, рослинних решток, гербіцидів тощо. Тому необхідна розробка конструкції ротаційного робочого органу, яка б забезпечувала достатнє обертання оброблюваної скиби ґрунту, та показники якості щодо заробки в ґрунт на оптимальну глибину стерні, органічних та мінеральних добрив тощо.

2.3 Аналіз досліджень впливу форми робочої поверхні ґрунтообробних органів на параметри обробітку

Відповідно агротехнічних вимог до конструкційних параметрів робочих органів ротаційного типу сформульованих в [21, 22, 23, 24], одним з найперспективніших методів обґрунтування конструкцій ґрунтообробних робочих органів є оптимізація параметрів напружено-деформованого стану ґрунту.

Так, згідно досліджень [25] в ґрунті спостерігається функціональна залежність напружень і деформацій:

(2.1)

де - нормальні напруження;

- октаедричні напруження;

- відповідні нормальні та октаедричні деформації.

Однак, згідно досліджень [26, 27], подібна залежність можлива лише в області пружних деформацій. Тому (2.1) є специфічним для кожного конкретного ґрунту, визначається теоретично-експериментальними шляхом і не дозволяє аналітично дослідити динаміку структури ґрунту в процесі його в'язко-пластичної течії (деформації).

Дослідження динаміки деформаційних показників ґрунту, як дискретного тіла ближнього порядку, можливе лише за допомогою аналізу його фундаментальних реологічних властивостей, які дозволяють описати реальні біфуркаційні процеси структур в процесі їх деформування [28, 29].

Так в роботах [30, 22] наведено реологічну модель ґрунту, яка описується структура її механічних властивостей:

(2.2)

де у_І - І-й інваріант повного тензора напружень;

Е - модуль пружності при об'ємних деформаціях;

G - модуль пружності при зсувних деформаціях;

з - коефіцієнт в'язкості;

ц₀ - кут внутрішнього тертя.

Значення структорів для ймовірних станів ґрунту в період його обробітку визначають умови, в яких працюватиме ґрунтообробне знаряддя [31].

Робочий орган, який має головні осі симетрії, представлено в вигляді двох плоских перерізів, після об'єднання яких можна отримати залежності розподілення тисків по поверхні осесиметричного ґрунтообробного робочого органу [22]. Так загальний розв'язок рівняння контактної задачі з наявністю сили тертя, який визначає розподілення тиску по ділянці контакту робочого органу з ґрунтом, описується рівнянням:

(2.3)

де - стискуюча сила;

г - коефіцієнт, що залежить від фізико-механічних властивостей ґрунту;

а - коефіцієнт, який характеризує особливості роботи робочого органу.

В роботах [21, 22] знайдено часткові розв'язки рівняння (2.3) для робочих органів (деформаторів ґрунту) плоского, круглого, клиноподібного, еліптичного типів з двома осями симетрії. Розв'язано обернену задачу, щодо знаходження форми робочого органу в залежності від необхідного закону розподілення параметрів напружено-деформованого стану в зоні контакту робочого органу з ґрунтом. Однак, для ґрунтообробних робочих органів передня поверхня яких має одну вісь симетрії, або взагалі її не має, обернений розв'язок задачі (2.3) дещо утруднений з огляду на складність визначення розподілення тисків по поверхні несиметричного робочого органу.

Окремими авторами зроблено спробу аналізу граничних випадків цієї задачі. Дослідження [32] стосовно управління параметрами деформування ґрунту за допомогою зміни кута різання б двогранного клину та його ширини В, та їх впливу на енерговитрати та оптимальність складових деформації ґрунтового середовища показали, що енергомісткість обробітку ґрунту залежить від співвідношення деформації зминання ґрунту, з деформацією сколювання ґрунту. Так в роботі [33] було експериментально досліджено залежності:

(2.4)

де ДQ - об'єм ґрунтового середовища зім'ятого клином,

б - кут різання клину;

Р - величина опору ґрунтового середовища при розпушуванні його клином;

В - ширина клина.

Отримані [32] кількісні та якісні показники процесу розущільнення супіщаного та суглинкового ґрунтів клином. Дані дослідження можна ефективно використати для обґрунтування кута різання лемешів плоскорізальних робочих органів та визначення технологічної відстані L_П між розпушувачем та роторною батареєю [33] з огляду на енергомісткість процесу обробітку:

(2.5)

де Н - глибина обробітку;

б - кут різання стрілчатої лапи,

R - радіус ротора.

Рис. 2.10. Залежність тягового опору Р від параметрів клина В, кута різання б та величини переміщення S: а - суглинок; б - супісок

Рис. 2.11. Схема до визначення технологічної відстані між розпушувачем та плоскодисковою батареєю

Роботи [34, 35] присвяченні деформуванню ґрунту криволінійними поверхнями показали, що такі робочі поверхні ґрунтообробних органів мають змінні кути деформації і рух ґрунту по такій поверхні відбувається з перемінною швидкістю. Це призводить до руху різних точок скиби ґрунту за різними траєкторіями. В роботі пропонується встановлення відповідності між основними технологічними функціями (підрізання, рихлення та кришення) та основними структурними елементами геометричної моделі робочого органу. Так, для форми поздовжнього перерізу ґрунтообробного робочого органу така функціональна відповідність була встановлена в роботі [36] і описується аналітично:

, (2.6)

де а і b - масштабні коефіцієнти.

Рис. 2.12. Структурні моделі функціонального конструювання криволінійних поверхонь:

а, б - геометричні моделі технологічної взаємодії поверхні робочого органу з оброблюваним шаром ґрунту, в, г - форми робочої поверхні малоенергомістких ґрунтообробних робочих органів

В роботах [26, 35, 37] розглянуто обробіток ґрунту з точки зору виникнення і розвитку тріщин і руйнування зв'язків у дискретному середовищі. Досліджено три базові схеми руйнування ґрунтового середовища: схема І - відрив, схема ІІ - поперечний зсув, схема ІІІ - поздовжній зсув, з огляду на розподілення напружень та переміщень в вершині тріщини. Також вказано на переваги конкретних типів робочих органів ґрунтообробних знарядь, при використанні яких переважає відрив або поперечний зсув в межах розвитку тріщини ґрунтового напівпростору. Так, в дослідженнях [38] обчисленні рівні напруження текучості структури у_Т, для вищезгаданих схем руйнування ґрунтового середовища, рівень яких зумовлює формування структури ґрунту:

(2.7)

де К_І, К_ІІ, К_ІІІ - параметри, які визначають розподілення напружень і деформацій у середовищі елементарного об'єму з розміром r, та кутом и при вершині тріщини і мають назву відповідно коефіцієнтів інтенсивності напружень, при відриві, поперечному зсуві, поздовжньому зсуві. Встановлено, що конструкційно-технологічні параметри ротаційного-робочого органу мають забезпечувати відрив структурних формувань ґрунту по всьому оброблюваному профілю.

В роботі [39] оптимізовані конструкційні параметри глибокорозпушувача з огляду на мінімізацію дотичних октаедричних напружень.

В [26] отримано розв'язок контактної задачі, щодо визначення напружень в елементарному об'ємі ґрунтового напівпростору, навантаженого двома блоками розподіленого зусилля та реалізовано числовий модельно-імітаційний експеримент для дослідження напружено-деформованого стану оброблюваного профілю ґрунту з оптимізації геометричних параметрів периферії дискового робочого органу для досягнення максимального рівняння передумов структуротворних процесів ґрунтового середовища.

Однак в наведених вище дослідженнях [26, 39, 37, 38] не достатньо формалізовано зв'язок напружено-деформованого стану ґрунту з переміщенням скиби ґрунту в процесі його обробітку.

Рис. 2.13. Схема визначення напружень в елементарному об'ємі напівпростору, навантаженого двома блоками розподіленого навантаження

Рис. 2.14. Епюра розподілення суми головних напружень для ґрунтового профілю отримана за допомогою комп'ютерної модельної програми

Таким чином, враховуючи однозначність функціональних залежностей (3.7) геометричної форми поверхонь робочих органів ґрунтообробних знарядь від кінематичних чинників та параметрів створюваного у ґрунті напружено-деформованого стану, необхідним є подальший розвиток досліджень, щодо розробки методів оптимізації форми робочих органів у відповідності до агротехнологічних вимог виконуваних робочих процесів.

Висновки до розділу 2

1. Результати аналізу наукових досліджень та практичного досвіду свідчать, що застосування ротаційних ґрунтообробних знарядь в системі основного та передпосівного обробітків ґрунту в умовах зони Полісся України зменшує кількість технологічних операцій при підготовці ґрунту до посіву, забезпечує зниження енергетичних (до 40%) та трудових (до 25%) витрат.

2. Враховуючи однозначність функціональних залежностей геометричної форми поверхонь робочих органів ґрунтообробних знарядь від кінематичних чинників та параметрів створюваного у ґрунті напружено-деформованого стану, необхідним є подальший розвиток досліджень, щодо розробки методів оптимізації конструкційних параметрів ротаційних робочих органів у відповідності до агротехнологічних вимог виконуваних робочих процесів.

3. Проаналізовані типи конструкцій як серійних машин так і пропонованих ротаційних робочих органів, з огляду на особливості їх робочих процесів, не повною мірою забезпечують агротехнічні вимоги стосовно заробки добрив, рослинних решток, гербіцидів тощо. Тому необхідна розробка конструкції ротаційного робочого органу, яка б забезпечувала достатнє обертання оброблюваної скиби ґрунту, та показники якості щодо заробки в ґрунт на оптимальну глибину стерні, органічних та мінеральних добрив тощо.

Розділ 3. Дослідження процесу роботи ротаційного грунтообробного робочого органу із криволінійною поверхнею

3.1 Дослідження геометрії робочої поверхні ґрунтообробних органів

Геометрія робочої поверхні ґрунтообробних органів є одним з параметрів, які суттєво впливають на характеристику процесу роботи.

Відомо [40], що найбільш часто використовуються при проектуванні робочих поверхонь ґрунтообробних органів призначених для обертання скиби ґрунту, поверхні циліндроїда, коноїда, гіперболічного параболоїда чи гелікоїда. Всі вони є поверхнями другого порядку, загальне рівняння яких має вигляд:

(3.1)

або в матричній формі:

; (3.2)

де:

(2.3)

Перенос довільної системи координат x0yz (рис. 3.1) в точку 0', яка є вершиною робочої поверхні ґрунтообробного органу і утворена перетином різальної кромки 0'х' та довільної твірної поверхні m на вектор , який задовольняє умові , дозволяє представити загальне рівняння (3.1) у вигляді:

(3.4)

де x', y', z' - координати відносно нової системи координат.

Або в матричній формі:

(3.5)

де:

(3.6)

Рис. 3.1 Паралельний перенос системи координат

У векторній формі коефіцієнти рівняння (3.4) будуть мати вигляд:

(3.7)

де - відповідні орти векторів складових нормальних та октаедричних напружень, які виникають на елементарних октаедричних площинках, орієнтованих по координатних площинах переносної системи координат і характеризують повний тензор напружень ґрунту на поверхні робочого органу.

Напружений стан ґрунту [41] на досліджуваній поверхні робочого органу визначається в цьому випадку, з урахуванням умов:

(3.8)

як:

; (3.9)

Якщо розглядати руйнування ґрунтового напівпростору з точки зору виникнення і розвитку тріщин [42], оборот деякого об'єму ґрунту можливий при поєднанні деформувань за схемою відриву (рис. 3.2, а) та за схемою поперечного (відносно напрямку руху) зсуву, який характеризує деблоковане різання за умов ротаційного обробітку ґрунту [42] (рис. 3.2, б).

а) б)

Рис. 3.2 Схеми деформування ґрунтового середовища:

а) відривом; б) поперечним зсувом (деблоковане різання)

Рис. 3.3 Схеми розподілення напружень у вершині тріщини:

а) для схеми відриву; б) для схеми зсуву

Розподілення напружень для схеми відриву (рис. 3.2, а) в полярних координатах (рис. 3.3, а) описується рівняннями [43]:

(3.10)

а для схеми поздовжнього зсуву (рис. 3.2, б) розподілення напружень в полярних координатах (рис. 2,3б) має вигляд [43]:

(3.11)

де - полярні координати вершини тріщини;

- коефіцієнт Пуассона;

К_І; К_ІІ - коефіцієнти, які визначають розподілення напружень і деформацій у середовищі поблизу тріщин, згідно досліджень [42] визначаються за формулами:

(3.12)

де r₁, r₂ - полярні координати;

у, ф - нормальні і дотичні напруження;

а - напівдовжина тріщини

_і - інтенсивність напружень, яка визначається за формулою:

(3.13)

де

- головні напруження.

З урахуванням умов (3.7) і (3.10) матрицю (3.6) для схеми відриву (рис. 3.2) можна представити у вигляді:

; (3.14)

а рівняння (3.4) набуде виду:

(3.15)

Для схеми поперечного зсуву (рис. 3.3) матрицю (3.6) з урахуванням умов (3.7) і (3.11) можна представити, як:

; (3.16)

відповідно рівняння (3.4) матиме вигляд:

. (3.17)

При 'чистому' відриві скиби ґрунту в умовах напівблокованого різання, відповідно до (3.10) поперечна деформація скиби е_z відсутня, а отже коефіцієнт Пуассона в цьому випадку становить:

(3.18)

тоді для у_z в системі (3.10) маємо , а тензор деформацій (3.9) набуває вигляду:

. (3.19)

Тому, згідно умові (3.8) , а рівняння 3.15 виглядає так:

(3.20)

і представляє собою рівняння плоскої кривої лінії розташованої в площині х0у, тобто в площині перпендикулярній площині ґрунту, та паралельній напрямку обробітку (рис. 3.4)

При деформації ґрунтового середовища в умовах чистого зсуву нормальні напруження відсутні, тому . З урахуванням (3.8) коефіцієнт , а рівняння (3.17), набуває виду рівняння прямої, розміщеної в площинні х0z (паралельній поверхні ґрунту) (рис. 3.4):

, (3.21) або:

. (3.22)

Рівняння (3.20) і (3.21) можна представити у вигляді системи:

(3.23)

яка є визначником шуканої поверхні (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Визначник поверхні

Виходячи з розміщення кривих (3.23) (рис. 3.4) маємо, що рівняння (3.20) описує сімейство твірних, а рівняння (3.22) - сімейство напрямляючих.

Якщо розв'язок рівняння (3.20) представити у вигляді:

(3.24) де:

то

. (3.25)

З аналізу (3.25) можна зробити висновок, що робота ґрунтообробного органу в режимі чистого відриву можлива лише у випадку коли и₁=180?. А кут нахилу робочої поверхні до горизонтальної площини (вертикальний кут різання) б, (рис. 3.5), становить:

(3.26)

де ш - узагальнений кут тертя.

Рис. 3.5 Схема визначення кута б

Узагальнений кут тертя ш відповідно до [61, 114], можна представити, як:

(3.27)

де

f - коефіцієнт тертя ґрунту об метал;

f₁ - коефіцієнт тертя ґрунту об ґрунт;

З виразів (3.24) та (3.26), випливає:

. (3.28)

Очевидно, що

(3.29)

тому вертикальний кут різання може набувати значень від - 90? до - 135?.

При переході від поступального руху клину до обертового (рис.3.6), відповідно до (3.28), кут б набуде додатних значень, і буде характеризувати кут підйому різальної кромки (кут заглиблення, у випадку обертального руху) робочої поверхні ротаційного ґрунтообробного робочого органу.

Обертання ротора на деякий кут щt, відповідає переміщенню вершини різальної кромки з точки О' в точку O”, ордината якої, відносно системи координат x'О'у', є максимальною глибиною обробітку ґрунту і яка є початком нової системи координат х”О”у”, оберненої відносно х'О'у' на кут щt. Радіус кривизни різальної кромки, можна встановити за результатами розв'язку векторного плану радіусів відносно миттєвого центру швидкостей ротора O_r.

Рис. 3.6 Схема переходу до обертального руху

Рис. 3.7 Визначення радіуса кривизни різальної кромки

Радіус кривизни різальної кромки r_rk (рис.3.6) становить:

; (3.30)

де r_r - радіус ротора;

щt - кут на який повертається ротор для заглиблення вершини ріжучої кромки на максимальну глибину Н обробітку (рис. 3.6).

При роботі робочого органу в режимі чистого зсуву коефіцієнт тертя f ґрунту об метал прямує до нуля, тому згідно (3.27) можна записати:

. (3.31)

А кут и₂, згідно (3.26) та (рис. 3.5) становить:

(3.32)

З урахуванням (3.32) рівняння (3.22) можна представити у вигляді:

, (3.33)

де г - кут нахилу робочої поверхні до фронтальної площини (горизонтальний кут різання), який визначається функцією:

, (3.34)

де у - абсциса розміщення твірної лінії робочої поверхні ґрунтообробного знаряддя над горизонтальною площиною xOz, яка відповідає дну борозни [40].

Графічний розв'язок (3.34) у відповідності до [40] представлено на рис. 3.8 для випадку поступального руху.

Рис. 3.8 Закономірність зміни кута г в залежності від висоти розміщення утворюючої робочої поверхні: 1 - культурної; 2 - напівгвинтової; 3 - гвинтової

Відповідно досліджень [40] найбільш оптимальною, з точки зору поєднання розпушуючої та обертаючої здатності знаряддя є поверхня утворена за третім варіантом розв'язку (3.34) (рис. 3.8-3), яка аналітично відповідає системі параметричних рівнянь [44]:

(3.35)

де r i г - криволінійні координати;

р - гвинтовий параметр.

Виходячи з цього та з урахуванням (3.22) і (3.32), при переході до обертового руху ротора, та поступального руху в напрямку переміщення машинно-тракторного агрегату, закономірність зміни кута розміщення твірної лінії, можна представити у вигляді графічної залежності (рис. 3.9). Де у є глибиною Н_max обробітку ґрунту, на яку розрахований ґрунтообробний робочий орган.

Рис. 3.9 Залежність кута повороту твірної лінії від глибини обробітку:

е - кут, який характеризує механічні властивості конкретного ґрунтового середовища

В цьому випадку направляючими лініями зазначеної твірної (ОО' на рис. 3.10) є прямі ОА і О'С, які перехрещуються. Пряма ОА перпендикулярна до площини хОz і співпадає з віссю y координат, а пряма О'С нахилена до осі Ох, під кутом б₀, який є кутом встановлення різальної кромки до дна борозни, та який визначається згідно (рис. 3.6), як:

; (3.36)

Координатна вісь Ох проходить через точку О' (центр переносної системи координат) (рис. 3.1) прямої О'С. Твірна пряма ОО' в початковому положенні співпадає з віссю Ох, а потім при повороті на кут та переміщенні по напрямляючих ОА і О'С в координату у_c, набуває нового розташування в напрямку АС.

Рис. 3.10. Побудова поверхні прямого коноїду (гіперболічного параболоїду)

Для точки С утвореної лінії АС, в параметричній формі маємо:

(3.37)

де x, y, z - координати т. С (рис. 3.10)

r - відстань точки від осі z;

г₀ - кут закручування робочої поверхні ґрунтообробного органу ();

k - гвинтовий параметр, який визначається згідно [45] як:

(3.38)

де р - крок повного оберту горизонтальної направляючої.

З урахуванням властивостей поверхні, яка описана системою (3.37), гвинтовий параметр становитиме:

. (3.39)

Кут закручування г₀ робочої поверхні ґрунтообробного органу (згідно рис. 3.9) можна визначити аналітично, як:

, (3.40)

де г_max - максимальний кут закручування робочої поверхні, для конкретного типу ґрунту;

- показник, що враховує механічні характеристики ґрунтового середовища.

З врахуванням властивостей дерново-підзолистого ґрунту середньої степені оглеєння (=16…19; г_max=27…28⁰), кут закручування робочої поверхні г₀=23.25⁰.

За результатами розв'язку системи (3.37) з врахуванням (3.39) рівняння робочої поверхні набуває вигляду:

(3.41)

Поверхня описана рівнянням (3.39) є поверхнею R прямого коноїда (рис. 3.10).

3.2 Визначення основних геометричних параметрів ротаційного робочого органу із криволінійною поверхнею

Для отримання теоретичного профілю робочого органу необхідно визначити його основні геометричні параметри.

Довжину l (рис. 3.11) робочої поверхні ґрунтообробного органу, згідно [46], можна визначити як:

; (3.42)

де у_тм - тимчасовий опір ґрунту стисканню;

г_об - об'ємна маса ґрунту;

б₀ - кут встановлення передньої різальної кромки до дна борозни;

ш - узагальнений кут тертя.

Рис. 3.11. Схема до визначення оптимальної ширини робочого органу

Відповідно до побудови робочої поверхні (рис. 3.10) маємо:

тому , а оптимальна ширина с робочої поверхні становить:

; (3.43)

де

г₀ - кут повороту твірної лінії О₁О в положення АС відносно у, (кут закручування робочої поверхні) (рис. 3.11).

Однак, з огляду на те, що кут О₁С₁С дорівнює 90? (рис. 3.11), та з врахуванням [40] максимальна глибина обробітку Н_max буде обмежена:

. (3.44)

Кількість ножів робочого органу ґрунтообробного знаряддя, згідно (рис 3.12) становитиме:

; (3.45)

де r_r - радіус ротора, разом з встановленими на ньому ножами.

s - проекція відстані k між найближчими точками суміжних ножів на площину паралельну площинні обертання ротора.

Рис. 3.12. Схема до визначення кількості ножів на диску та відстані між суміжними ножами ротора:

1 - горизонтальна проекція площини обертання диску; 2 - горизонтальні проекції верхньої різальної кромки суміжних ножів 3 - поверхня поля; 4 - дно борозни

Величина зазору k, між крайніми точками сусідніх ножів робочого органу, згідно (рис. 3.12) буде визначатись за формулою:

; (3.46)

А величину s, згідно [40], можна визначити за формулою:

; (3.47)

е₀ - кут між нижньою різальною кромкою ножа, та дном борозни (кут встановлення до дна борозни); ц - кут тертя ґрунту по поверхні робочого органу, г_Н - кут закручування робочої поверхні на номінальній глибині обробітку, який визначається згідно (рис. 3.11), як:

3.48)

Проекцію b ширини захвату робочого органу на вісь обертання ротора, згідно (рис. 3.12) можна представити, як:

. (3.49)

Кут щt заглиблення передньої різальної кромки на максимальну глибину (рис. 3.6) буде визначатися, як:

; (3.50)

На рис. 3.13 е₀, кут встановлення нижньої різальної кромки до дна борозни, згідно [40], становить . А кут б₀встановлення передньої різальної кромки до дна борозни б₀, який визначається згідно (3.36) і становить . Ордината с₀розміщення вершини робочої поверхні, дорівнює:

. (3.51)

З рис. 3.13, пряма 1, є дотичною до радіуса кривизни нижньої різальної кромки r_nk, а пряма 2 - дотична до радіуса кривизни передньої різальної кромки r_rk.

Рис. 3.13. Теоретичний профіль робочої частини ножа:

1 - нижня різальна кромка; 2 - верхня різальна кромка

Розрахунок форми передньої та нижньої різальних кромок, згідно [47] наведений в таблиці 3.1

Таблиця 3.1

Розрахунок форми різальних кромок ножа ґрунтообробного робочого органу.

Нижня кромка	Передня кромка
1	2
а)	б)
Рис. 3.14. Розрахунок параметрів різальних кромок: а) нижня кромка; б) передня кромка
Рівняння дотичної
(3.52)	(3.53)
Рівняння нормалі
(3.54)	(3.55)
Координати центра
О₁	О₂
(3.56)	(3.57)
Рівняння кривої
(3.58)	(3.59)
Рівняння кривої в параметричній формі
(3.60)	(3.61)

Таким чином, проекцію A_nom площі взаємодії ножа з ґрунтом при номінальній глибині обробітку, на площину обертання ротора (область М на рис. 3.13) можна визначити, згідно [47], як:

(3.62)

Для запобігання забивання ґрунтом, та рослинними рештками проміжків між сусідніми ножами встановленими на одному роторі, згідно [46], необхідно виконання умови:

, (3.63)

де A_пр - проекція на площину обертання ротора мінімальної необхідної площі проміжку між сусідніми дисками.

Для виконання умови (3.63) площу зони окресленою задньою кромкою ножа та передньою різальною кромкою сусіднього ножа можна представити, згідно [47], у вигляді:

, (3.64)

де - рівняння форми задньої кромки ножа;

- рівняння форми передньої різальної кромки ножа;

Н_max - максимальна глибина обробітку (висота ножа).

Ділянка передньої поверхні ножа вище номінальної глибини обробітку ґрунту, окреслена (3.61) дугою еліпса Е з граничним, відповідно умові (3.63), радіусом r_rk (рис. 3.15). В цьому випадку площа еліпса Е, з урахуванням (3.64), становитиме:

; (3.65)

де b_e - мала піввісь еліпсу площі А_пр.

Величину малої осі еліпса, з урахуванням (3.46), (3.58) та (3.66) можна представити, як:

(3.67)

Радіус r_np небезпечного перерізу, можна визначити виходячи з фокальних властивостей еліпсу [47], та побудови теоретичного профілю ґрунтообробного ротаційного робочого органу (рис. 3.14), як:

; (3.68)

де с_е - половина фокальної відстані еліпса Е (рис.3.15), і визначається згідно [25], як:

. (3.69)

Рис. 3.15. Теоретичний профіль робочого органу

Ширина m ножа в небезпечному перерізі (рис.3.15) з урахуванням (3.46), становитиме:

(3.70)

Побудову теоретичного профілю ґрунтообробного ротаційного робочого органу (рис. 3.15) можна виконати використовуючи можливі значення конструкційних показників та розрахункові формули представленні в таблиці 3.2

Таблиця 3.2

Алгоритм визначення геометричних параметрів ротаційного робочого органу

Назва показника	Позна-чення	Розмір-ність	Можливі значення	Формула, джерело
1	2	3	4	5
Вихідні конструкційно-технологічні показники
Номінальна глибина обробітку	Н	м	0,12	[40]
Максимальна глибина обробітку	H_max	м	0,2	[40]
Радіус ротора	r_r	м	0,33	ОСТ 23.2.147-85
Кут встановлення нижньої різальної кромки до дна борозни (рис. 3.13)	е₀	град.	20.25?	[40]
Кут загострення різальних кромок (рис. 3.15)	й	град.	20.45?	[40]
Тимчасовий опір ґрунту стисканню	у_тм	Па	(0,08.0,12) Ч Ч10⁶	[40]
Об'ємна маса ґрунту	г_об	кг/м³	1200. .1400	[46]
Кут тертя ґрунту по поверхні робочого органу	ц	град.	14.35?	[46]
Коефіцієнт тертя ґрунту об метал	f	-	0,01.1	[48]
Коефіцієнт тертя ґрунту об ґрунт	f₁	-	0.1	[48]
Узагальнений кут тертя	ш	град.	0.45?
Розрахунок основних геометричних параметрів
Кут закручування робочої поверхні ножа	г₀	град.	23.25?	,
Вертикальний кут різання (рис. 3.6)	б	град	90?.135?

Кут заглиблення вершини різальної кромки на максимальну глибину (рис. 3.6)	щt	град	60?
Кут встановлення передньої різальної кромки (рис. 3.6 та 3.13)	б₀	град	30.75?
Радіус передньої різальної кромки (рис. 3.7)	r_rk	м	0,17.0,2

Довжина робочої поверхні ножа (рис. 3.11)	l	м	до 0,5

Довжина ножа (рис. 3.11)	с	м	до 0,3
Проекція ширини захвату робочого органу (рис. 3.12)	b	м	до 0,3
Відстань між найближчими точками суміжних ножів (рис. 3.12)	k	м	0,07.0,33
Проекція відстані k на площину обертання диску (рис.3.12)	s	м	0,03.0,25

Радіус нижньої різальної кромки (рис.3.13)	r_nk	м	0,2	(рис.3.13)

Діаметр основи ротора (рис.3.15)	d_or	м	0,26
Кількість ножів	n		6.8
Розрахунок додаткових геометричних показників
Проекція номінальної площі взаємодії ножа з ґрунтом М (рис.3.13)	A_max	м²	1,2Ч10^-4.1,5Ч10^-2

Проекція мінімальної необхідної площі проміжку, площа еліпса Е (рис.3.15)	A_пр	м²	1,2Ч10^-4. .1,5Ч10^-2
Товщина небезпечного перерізу (рис.3.15)	n	м	6Ч10^-3
Радіус небезпечного перерізу (рис.3.15)	r_np	м	0,13.0,14
'Великий' радіус еліпса Е (рис.3.15)	а_е	м	0,1
'Малий' радіус еліпса (рис.3.15)	b_e	м	0,03.0,95
Фокальний радіус еліпса (рис.3.15)	с_е	м	8,8Ч10^-2^. .0,1
Ширина небезпечного перерізу (рис.3.15)	m	м	(0,01.1,1) Ч Ч10^-1
Координати центру тяжіння проекції М	x_0c	м	0,01…0,1
			(3.71)
	y_0c	м	0,05…0,1
			(3.72)

Згідно алгоритму наведеного в табл. 3.2 можна розрахувати геометричні параметри ротаційного робочого органу, виходячи з конкретних ґрунтових умов.

3.3 Обґрунтування конструкції ротаційного робочого органу із криволінійною поверхнею для ґрунтових умов Полісся України

Основні результати конструкційного розрахунку у відповідності до табл. 3.2 для супіщаних дерново-підзолистих ґрунтів Полісся України наведенні в табл. 3.3.

Таблиця 3.3

Геометричні параметри ротаційного ґрунтообробного робочого органу для ґрунтових умов Полісся

Назва показника	Позначення	Розмірність	Значення
1	2	3	4
Глибина обробітку	Н	м	0,10.0,2
Радіус ротора	r_r	м	0,33
Кут встановлення нижньої різальної кромки	е₀	град.	20?
Кут закручування робочої поверхні ножа	г₀	град.	24?
Кут загострення різальних кромок	й	град.	30?
Кількість ножів	n	штук	6
Кут встановлення передньої різальної кромки	б₀	град	60?
Радіус передньої різальної кромки	r_rk	м	0,165
Радіус нижньої різальної кромки	r_пk	м	0,346
Діаметр основи ротора	d_or	м	0,26
Довжина ножа	с	м	0,175
Проекція довжини ножа	с₀	м	0,160
Проекція ширини захвату робочого органу	b	м	7,1Ч10^-2
Кут тертя ґрунту по поверхні робочого органу	ц	град.	35
Узагальнений кут тертя	ш	град.	35
Відстань між найближчими точками суміжних ножів	k	м	0,171
Проекція відстані k на площину обертання диску	s	м	0,100
Ширина небезпечного перерізу	т	м	0,86

Для забезпечення роботоздатності конструкції ротаційного робочого органу, необхідно накласти обмеження на конструкцію ротора за міцністю небезпечного перерізі [49]:

, (3.73)

де [у], допустимі нормальні напруження для матеріалу диску (матеріал диску - сталь 65Г ГОСТ 14959-79 [у] =196 МПа) [50];

у_екв - еквівалентні напруження в небезпечному перерізі.

Перевірочний розрахунок, за умовою (3.73), профілю ножа, відповідно до рис. 3.16, наведений в таблиці 3.4 Розрахунки виконані з урахуванням коефіцієнту динамічності [49], та виходячи з міркувань, що кут поміж еквівалентною силою Р_екв та дотичною до траєкторії тт переміщення точки прикладання сили Р_екв (центру ваги робочої поверхні) дорівнює нулю. Максимальна площа А (рис. 3.16) контакту ножа з ґрунтом, та координати центру мас О_С (точки прикладання еквівалентної сили) визначалась методом комп'ютерного моделювання з використанням спеціальних програмних продуктів.

Теоретичний профіль ротаційного ґрунтообробного робочого органу оптимізований для супіщаних дерново-підзолистих ґрунтів наведений на рис. 3.16, а основні розміри, які визначають конструкцію ножа, та розміри сил які діють на ніж, відповідно в табл. 3.3 і табл. 3.4.

Рис. 3.16. Схема силового навантаження ножа:

а) у вертикальній площині, б) у горизонтальній площині

Таблиця 3.4.

Розрахунок конструкційної міцності небезпечного перерізу

Назва показника	Позна-чення	Розмір-ність	Значення	Розрахункові формули
1	2	3	4	5
Вихідні дані для розрахунку
Кут атаки (рис.3.16)	в	град.	12?-24?	(ГОСТ10267-62)
Питомий опір ґрунту	у_Г	Па	0,2Ч10⁶	[40]
Площа контакту передньої поверхні ножа з ґрунтом	А	м²	1,77Ч10^-2	[51]
Межа текучості матеріалу ножа (сталь 65Г)	у_Т	Па	785Ч10⁶	-
Коефіцієнт динамічності робочого процесу	п	-	3	[49]
Товщина небезпечного перерізу	п	м	6Ч10^-3	(табл.3.3)
Ширина небезпечного перерізу	т	м	8,6Ч10^-2	(табл.3.3)
Координати точки прикладання еквівалентної сили	x_Oc	м	4Ч10^-3	(рис 3.16)
	y_Oc	м	-7,46Ч10^-2	(рис.3.16)
	z_Oc	м	8,3Ч10^-3	(рис.3.16)
Розрахункові показники
Допустимі напруження для сталі 65Г	[у]	Па	196Ч10⁶
Еквівалентна сила (рис.3.16)	Р_екв	Н	3,54Ч10³
Еквівалентні напруження в небезпечному перерізі	у_екв	Па	126Ч10⁶	, [43]
Сумарні нормальні напруження	у_У	Па	112Ч10⁶
Напруження згину	у_зг	Па	112Ч10⁶
Напруження згину відносно осі х	у_х	Па	106Ч10⁶
Напруження згину відносно осі z	у_z	Па	35Ч10⁶
Напруження розтягування	у_р	Па	0
Сумарні тангенціальні напруження	ф_У	Па	34Ч10⁶
Напруження зсуву	ф_зс	Па	0,2Ч10⁶
Напруження скручування	ф_ск	Па	34Ч10⁶
Момент опору перерізу відносно осі х	W_x	м³	5,16Ч10^-7	,
Момент опору перерізу відносно осі z	W_z	м³	7,40Ч10^-6
Момент опору перерізу	W_р	м³	7,41Ч10^-6
Сумарний згинаючий момент	М_У	Н?м	264
Момент сил відносно осі х	М_х	Н?м	-54,9
Момент сил відносно осі z	M_z	Н?м	-258,3
Скручуючий момент (момент сил відносно осі y)	Т	Н?м	-255,4

Сумарна поперечна сила	Р_У	Н	3,54Ч10³
Проекція еквівалентної сили на вісь х	Р_х	Н	-3,46Ч10³
Проекція еквівалентної сили на вісь у	Р_y	Н	0
Проекція еквівалентної сили на вісь z	P_z	Н	-0,74Ч10³

Рис. 3.17. Оптимізований теоретичний профіль ротаційного ґрунтообробного робочого органу

Висновки до розділу 3

В результаті аналітичних досліджень процесу роботи ротаційного робочого органу із криволінійними параметрами:

1. Розроблено механіко-математичну модель робочого процесу взаємодії ротаційного робочого органу з ґрунтом та виконано її аналіз.

2. Встановлено, що з огляду на покращення обертаючої здатності ротаційного робочого органу, виходячи з параметрів створюваного ним у ґрунті напружено-деформованого стану найбільш оптимальною, є робоча поверхня у формі прямого коноїда (гіперболічного параболоїду).

3. Розроблено експериментальний зразок пропонованого ротаційного робочого органу, параметри якого наведено в таблиці 2.3 та визначено основні параметри робочої поверхні:

максимальна довжина полиці с=0,175м;

кут закручування г₀=24?.

4. За умовою міцності встановлено геометричні розміри небезпечного перерізу ножа:

ширина т=0,86м;

товщина n=0,06м.

Розділ 4. Результати експериментальних досліджень та їх аналіз

4.1 Дослідження агротехнологічних показників якості обробітку ґрунту

Показники якості обробітку ґрунту визначались, відповідно до [52], по чотирьох варіантах: контроль-основний - агрофон: стерня зернових; контроль-порівнювальний як базовий варіант обробітку - виконувався стандартними дисками, відповідними до ОСТ23.2.147-85; порівнюваний варіант: схема 1 - обробіток ґрунтообробним знаряддям з пропонованими ротаційними робочими органами (встановлені на задню батарею борони БДН-1,8); порівнюваний варіант: схема 2 - обробіток ґрунтообробним знаряддям з пропонованими ротаційними робочими органами (встановлені на передню батарею). Ґрунти досліду - дерново-підзолисті супіщані глеюваті на водольодникових відкладеннях, як найтиповіші ґрунти Полісся України. Термін виконання - жовтень 2013 року.

Дослідження показників якості обробітку ґрунту визначенні у відповідності до ГОСТ20915-75 'Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний' та ОСТ 70.4.2.1 - 80 'Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и орудия для поверхностной обработки почвы”. Для оцінки рівня агроцінності структури ґрунту, відповідно ОСТ 70.4.2 - 80, додатково визначався коефіцієнт структурності ґрунту.

Показники структурного стану ґрунту оцінено за коефіцієнтом структурності К [52]:

(4.1)

де А_А - сума макроагрегатів з розмірами 0,25…10,0 мм;

В_А - сума агрегатів з розміром 0,25 мм та грудок з розміром 10 мм.

Значення А_А та В_А визначались методом фракціонування зразків ґрунту у повітряно-сухому стані на установці наведеній на рис.4.1 [53] розділенням на фракції: >10; 10…7; 7…5; 5…3; 3…2; 2…1; 1…0,5; 0,5…0,25; 0,25 мм.

Рис. 4.1 Установка для визначення структурно-агрегатного складу ґрунту:

1 - набір решіт; 2 - електродвигун; 3 - платформа;

4 - маховик; 5 - кулачковий механізм

У відповідності з ГОСТ 20915-75 за допомогою твердоміру (рис.4.2) визначена твердість ґрунту Р та коефіцієнт об'ємного зминання q як:

(4.2)

де с - жорсткість пружини, Н/м;

у_ср - середня ордината діаграми на обраній глибині, м;

А_ПП - площа поперечного перерізу плунжера, м².

(4.3)

де P_Г - сила опору ґрунту, яка відповідає межі пропорційності, Н;

V - об'єм зім'ятого ґрунту, який відповідає межі пропорційності, см³;

Y_А - ордината, що відповідає межі пропорційності, м;

_пр - деформація, що відповідає межі пропорційності, м.

Рис. 4.2 Визначення твердості ґрунту за допомогою твердоміру

Відбір проб для визначення стану ґрунту проводився за допомогою приладів польової лабораторії Литвинова ПЛЛ-9.

Абсолютна вологість W ґрунту визначалась за формулою:

(4.4)

де а_в - маса вологи, що випарувалась, г;

b_г - маса абсолютно сухого зразка ґрунту, г.

Щільність ґрунту визначалась за формулою:

(4.5)

де М_Г - маса абсолютно сухого ґрунту в певному об'ємі досліджуваної зразка, г;

V_Г - об'єм досліджуваного зразка, см³.

Профілювання поверхні обробленого ґрунту та дна борозни виконувалось за допомогою координатної рейки методом графічного копіювання рельєфу.

Показник розподілення рослинних решток за глибиною обробітку k_r визначався за формулою:

(4.6)

де М_п - маса рослинних решток на поверхні поля до проходу ґрунтообробного знаряддя;

М₅_.20- маса рослинних решток в прошарку ґрунту 5.20 см після проходу знаряддя.

Розподіл рослинних решток в прошарках ґрунту 0.5см, 5.10см та 10.20см, визначався відповідно до [54], відмиванням моноліту ґрунту площею 0,1м², відповідної товщини, через решета з діаметром отворів 3,1мм та 0,25мм. Відбір монолітів проводився за методом Станкова [54].

4.2 Результати порівняльних досліджень ґрунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами

За результатами попередніх аналітичних досліджень розроблено та виготовлено ґрунтообробний ротаційний робочий орган, уніфікований до борін БДН-1,8, БДВ-3, БДВ-7 (рис.4.3, 4.4). Агротехнологічна ефективність пропонованої розробки оцінювалась за покращенням основних показників якості обробітку ґрунту.

Результати порівняльних польових випробувань представлені в табл.4.1.

Таблиця 4.1

Результати порівняльних випробувань ротаційного знаряддя БДН-1,8

Показники якості обробітку ґрунту	Варіант - агрофон	Варіант - базовий	Варіант - пропонований
			схема 1	схема 2
Значення коефіцієнта структурності	0,94	1,48	1,70	1,57
Площа поверхні поля з повною заробкою рослинних решток, %	-	72	82	75
Величина опору зминання ґрунту (твердість), кН/м²	87,4	59,0	49,8	55,7
Величина коефіцієнта об'ємного зминання ґрунту, Н/см³	1,4	0,7	0,7	0,7
Абсолютна вологість ґрунту, %	22,0	17,3	18,4	17,9
Щільність ґрунту, г/см³	1,90	1,28	1, 20	1,23
Мікрорельєф поверхні поля, см	-	0.5,3	0.5,6	0.5,2

За результатами дослідження структурно-агрегатного складу ґрунту встановлено, що кількість агрегатів ґрунту (d<0,25мм і d>10мм), які не відповідають агровимогам з точки зору ерозійної стійкості, у пропонованих варіантах №1 та №2 зменшилась на 28,1% і 24,6%, до фону та на 7,0% і 2,5% відповідно, до базового варіанту, а коефіцієнт структурності в порівнянні з базовим варіантом збільшився на 12,9% (варіант 1) та 5,7% (варіант 2) рази.

Рис. 4.3 Характер обробітку ґрунтообробним агрегатом у складі ПМЗ-6АЛ+БДН-1,8Р-1 (заднє розміщення пропонованих робочих органів)

Рис. 4.4 Характер обробітку ґрунтообробним агрегатом у складі ПМЗ-6АЛ+БДН-1,8Р-2 (переднє розміщення пропонованих робочих органів)

Попередня оцінка ефективності заробки рослинних решток виконувалась методом числового аналізу візуальної інформації за допомогою спеціальної комп'ютерної програми [54]. Показник заробки в порівнянні з базовим варіантом збільшився в 1,14 разів для першої схеми пропонованого варіанту та в 1,04 разів для схеми 2 пропонованого варіанту.

Абсолютна вологість ґрунту у шарі 0.20 см при обробітку ґрунтообробним знаряддям з пропонованими робочими органами в порівнянням з базовим варіантом була вищою на 5,9% та 3,4%, для пропонованих варіантів 1 та 2 і відповідала агротехнічним вимогам. Щільність обробленого ґрунту знаряддям з пропонованими робочими органами за варіантами 1 та 2 відповідає агровимогам і становить відповідно 1,20 г/см³ та 1,23г/см³, що на 6,2% та 3,4% менше ніж для базового варіанту і на 36,8% та 35,3% менше у порівнянні з агрофоном. Встановлено, що при обробітку за пропонованими схемами 1 та 2 величина опору зминання ґрунту мінімальна і становить 49,8кН/м² та 51,7кН/м², що менше на 15,7% і 5,6% у порівнянні з базовим обробітком та на 43,0% і 36,2% менше у порівнянні з фоном. Коефіцієнт об'ємного зминання пропонованого варіанту на 51,4% менший у порівнянні з фоном та стандартним значенням, яке варіює в межах 1.2 Н/см³ (для зораного поля) [40].

Поверхня поля оброблена в 2 сліди (попередник - просапні), пропонованими ротаційними ґрунтообробними органами відповідає вимогам до сівби сільськогосподарських зернових культур без виконання додаткових технологічних переходів.

Аналіз, отриманих за результатами виробничої перевірки, показників якості обробітку ґрунту дозволяє зробити висновок про позитивний вплив на структурний та агротехнологічний стан ґрунту ротаційного ґрунтообробного робочого органу із криволінійною поверхнею, в порівнянні з стандартними ротаційними робочими органами дискової борони, виготовленими, відповідно до ОСТ 23.2.147-85, при встановленні пропонованих робочих органів за схемою 1 (заднє розташування).

Висновки до розділу 4

За результатами польових випробовувань дискової борони БДН-1,8, оснащеною пропонованими робочими органами, встановлено:

кількість агрегатів ґрунту, які не відповідають агровимогам з точки зору ерозійної стійкості, зменшилась на 28,1% до фону, та на 7,0% до базового варіанту (дискова борона БДН-1,8 оснащена робочими органами за ОСТ 23.2.147-85);

коефіцієнт структурності в порівнянні з базовим варіантом збільшився на 12,9%;

абсолютна вологість ґрунту у шарі 0.20 см при обробітку ґрунтообробним знаряддям з пропонованими робочими органами в порівнянням з базовим варіантом була вищою на 5,9%;

щільність обробленого ґрунту знаряддям з пропонованими робочими органами відповідає агровимогам і становить 1,2 г/см³, що на 6,2% менше ніж для базового варіанту і на 36,8% менше у порівнянні з агрофоном;

величина опору зминання ґрунту мінімальна і становить 49,8 кН/м², що менше на 15,7% у порівнянні з базовим обробітком та на 43% менше у порівнянні з фоном;

показник заробки для пропонованого варіанту, становить 82%, що на 10% більше ніж для базового варіанту;

показник розподілення рослинних решток для пропонованого варіанту становить 76%, що на 15% більше ніж для базового варіанту.

Розділ 5. Техніко-економічна ефективність застосування грунтообробних знарядь оснащених ротаційними робочими органами із криволінійною поверхнею

Для визначення економічної ефективності застосування у виробництві пропонованих ротаційних робочих органів із криволінійною формою робочої поверхні за базу обрано борону БДН-1,8, оснащену вирізними дисками.

Річний економічний ефект (грн/рік) від застосування розроблених робочих органів визначався відповідно до ГОСТ 24056-88 'Техника сельскохозяйственная. Методы эксплуатационно-технологической оценки” та ГОСТ 23728-88 'Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки'

Таблиця 5.1

Вихідні дані для визначення економічної ефективності пропонованої розробки

№ з/п	Найменування параметрів	Значення параметрів
		базовий варіант	пропонований варіант
1	2	3	4
1	Склад агрегату: трактор машина	ПМЗ-6АЛ БДН-1,8	ПМЗ-6АЛ БДН-1,8Р-1
2	Конструкційна ширина захвату агрегату, м	1,8	1,8
3	Коефіцієнт використання ширини захвату	0,96	0,96
4	Робоча ширина захвату, м	1,728	1,728
5	Робоча швидкість, км/год	9	10
6	Вага трактора, кН	33	33
7	Вага знаряддя, кН	6,4	5,8
8	Тяговий опір агрегату, кН	11,2	9,4
9	Коефіцієнт використання змін-ного часу	0,81	0,81
10	Оптова ціна, грн трактора машини	57000 2500	57000 2600
11	Річне завантаження, год трактора машини	1350 180	1350 180
12	Амортизаційні відрахування, % трактора машини	16,1 14,2	16,1 14,2
13	Відрахування на поточний ремонт і технічне обслуговування, % трактора машини	9,9 9	9,9 9
14	Тарифна ставка обслуговуючого персоналу, грн.	4,60	4,60
15	Кількість обслуговуючого персоналу, чол.	1	1
16	Ціна пального, грн/кг	1,5	1,5
17	Нормативний коефіцієнт капіталовкладень	0,15	0,15

Розрахунок амортизаційних відрахувань, відрахувань на поточний ремонт і технічне обслуговування, затрат на заробітну плату проводився відповідно до існуючих нормативів.

Результати розрахунків річного економічного ефекту від впровадження ротаційного ґрунтообробного знаряддя з пропонованими робочими органами наведено в табл. 5.2.

Таблиця 5.2

Результати розрахунків річного економічного ефекту знаряддя з пропонованими робочими органами

№ п/п	Показник	Значення показників
		базовий	пропонований
1	Продуктивність, га/год: за годину основної роботи за годину експлуатаційного часу	1,55 1,26	1,73 1,4
2	Витрати палива МТА, кг/га	11,90	8,80
3	Затрати коштів на паливо: на одиницю виконаної роботи, грн/га річні, грн/рік	17,85 4980,15	13, 20 4110,48
4	Затрати на заробітну плату, гр/га	2,97	2,66
5	Відрахування на амортизацію, грн/га: трактора машини	4,82 1,40	4,32 1,35
6	Відрахування на поточний ремонт та технічне обслуговування, грн/га: трактора машини	2,97 0,89	2,66 0,86
7	Сумарні затрати, грн/га	30,90	25,05
8	Питомі капіталовкладення трактора машини	29,96 9,86	26,85 9,54
9	Приведені витрати, грн/га	36,87	30,51
10	Річний економічний ефект, грн	1774,13

Висновки до розділу 5

За результатами проведених економічних розрахунків встановлено:

продуктивність машинно-тракторного агрегату, в складі ПМЗ-6АЛ+БДН-1,8Р-1, оснащеного ротаційно робочими органами за схемою 1 (п.3.1) на 10% більша ніж при використані борони БДН-1,8, оснащеної серійними робочими органами;

зменшення витрат на паливо для пропонованого агрегату склало 18,1%, в порівнянні з бороною оснащеною серійними робочими органами;

а річний економічний ефект від застосування машинно-тракторного агрегату в складі МТЗ-80+БДН-1,8Р-1, становить 1774 грн. на машину.

Висновок

1. Аналіз організаційно-економічного стану базового підприємства вказує на те, що в даному господарстві присутня технічна та матеріальна база для рослинництва. Разом з цим, застосовувані в господарстві технології вирощування та збирання сільськогосподарських культур мають ряд організаційних, технологічних і технічних недоліків, має місце велика кількість операцій по підготовці ґрунту і догляду за рослинами, неякісне їх виконання, не завжди раціонально і в недостатній кількості використовуються мінеральні, органічні добрива і гербіциди, що призводить до низької врожайності та високої собівартості сільськогосподарської продукції.

2. Результати аналізу наукових досліджень та практичного досвіду свідчать, що застосування ротаційних ґрунтообробних знарядь в системі основного та передпосівного обробітків ґрунту в умовах зони Полісся України зменшує кількість технологічних операцій при підготовці ґрунту до посіву, забезпечує зниження енергетичних (до 40%) та трудових (до 25%) витрат.

3. Враховуючи однозначність функціональних залежностей геометричної форми поверхонь робочих органів ґрунтообробних знарядь від кінематичних чинників та параметрів створюваного у ґрунті напружено-деформованого стану, необхідним є подальший розвиток досліджень, щодо розробки методів оптимізації конструкційних параметрів ротаційних робочих органів у відповідності до агротехнологічних вимог виконуваних робочих процесів.

4. Проаналізовані типи конструкцій як серійних машин так і пропонованих ротаційних робочих органів, з огляду на особливості їх робочих процесів, не повною мірою забезпечують агротехнічні вимоги стосовно заробки добрив, рослинних решток, гербіцидів тощо. Тому необхідна розробка конструкції ротаційного робочого органу, яка б забезпечувала достатнє обертання оброблюваної скиби ґрунту, та показники якості щодо заробки в ґрунт на оптимальну глибину стерні, органічних та мінеральних добрив тощо.

5. В результаті аналітичних досліджень процесу роботи ротаційного робочого органу із криволінійними параметрами:

5.1 Розроблено механіко-математичну модель робочого процесу взаємодії ротаційного робочого органу з ґрунтом та виконано її аналіз.

5.2 Встановлено, що з огляду на покращення обертаючої здатності ротаційного робочого органу, виходячи з параметрів створюваного ним у ґрунті напружено-деформованого стану найбільш оптимальною, є робоча поверхня у формі прямого коноїда (гіперболічного параболоїду).

5.3 Розроблено експериментальний зразок пропонованого ротаційного робочого органу та визначено основні параметри робочої поверхні:

максимальна довжина полиці с=0,175м;

кут закручування г₀=24?.

6. За умовою міцності встановлено геометричні розміри небезпечного перерізу ножа:

ширина т=0,86м;

товщина n=0,06м.

7. За результатами польових випробовувань дискової борони БДН-1,8, оснащеною пропонованими робочими органами, встановлено:

коефіцієнт структурності в порівнянні з базовим варіантом збільшився на 12,9%;

показник заробки для пропонованого варіанту, становить 82%, що на 10% більше ніж для базового варіанту;

8. За результатами проведених економічних розрахунків встановлено:

Список інформаційних джерел

1. Відтворення гумусу в агроекосистемах Полісся / В.П. Стрельченко, А.М. Бовсуновський, О.П. Стецюк // Вісник аграрної науки. - 2000. - №7. - С.9-11

2. Берзин А.М., Шпедт А.А. Зеленое удобрение в Красноярском крае // Земледелие. - 2011. - №2. - С.13

3. Прямоточная технология внесения соломы на удобрение // Земледелие. - 2012. - №1. - С.16-17

4. Картамышев Н.И., Тарасов А.А. Оптимизация физических свойств почвы // Земледелие. - 1993. - №7. - С.13

5. Безуглов В.Г., Гафуров Р.М. Минимальная обработка почвы // Земледелие 2012. - №4. - С.21-22.

6. Гаврилов А.М., Чамурлиев О.Г., Невежин Д.В. Эффективность пожнивного выращивания многокомпонентных смесей культур при орошении // Земледелие. - 2011. - №1. - С.5-6

7. Войтюк Д.Г., Гаврилюк Г.Р. Сільськогосподарські машини. - К.: Урожай, 1994. - 448с.

8. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Висшая школа, 1982. - 224с.

9. Минеев В.Г. Агрохимия: Учебник. - М.: Изд-во МГУ, 2010. - 486с.

10. Трузина Л.А., Коровина Л.М. Каким орудием лучше заделывать Трефлан // Земледелие. - 2011. - №1. - С.35

11. Дубровін В.О., Гуков Я.С., Єсепчук М.І. Напрямки розвитку механізації рослинництва // Вісник аграрної науки. - 2010. - №1 С.58-62

12. Енергетична оцінка агроекосистем: навчальний посібник / О.Ф. Смаглій, А.С. Малиновський, А.Т. Кардашов, І.В. Шудренко, М.Ф. Рибак; За ред. О.Ф. Смаглія. Ж.: ДАУ, 2002, 160с.

13. ОСТ 23.2.147-95. Детали сельскохозяйственных машин. Диски. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1995.

14. Мазитов Н.К. Машины почвоводоохранного земледелия. - М.: Россельхозиздат, 1987. - 96с

15. А. с.1358798 СССР. Дисковый рабочий орган / Л.Э. Попов, О.С. Марченко, В.В. Бычков и др. - 2 с. ил.

16. А. с.1496651 СССР. Почвообрабатывающее орудие / Л.Э. Попов, О.С. Марченко, В.В. Бычков и др. - 2 с. ил.

17. А. с.1463143 СССР. Ротационный диск / И.Ф. Буханов, К.С. Козюра, П.Е. Орлов и др. - 2с. ил.

18. А. с.897130 СССР Рабочий орган ротационного культиватора / В.Я. Шатин, А.С. Буряков, Р.Б. Иорданский и др. - 4с. ил.

19. А. с.1568905 СССР. Рабочий орган ротационного почвообрабатывающего орудия / А.И. Воронин, В.С. Стягов. - 3с. ил.

20. А. с.929023 СССР. Почвообрабатывающее орудие / Н.К. Мазитов, В.П. Петров, А.Н. Сердечный - 3с. ил.

21. Гольдштейн М.Н., Механические свойства грунтов. - М.: Издательство литературы по строительству, 1971. - 368с.

22. Кушнарев А.С., Кочев В.И. Механико-технологические основы обработки почвы. - К.: Урожай, 1989. - 144с.

23. Шелудченко Б.А. Агромеханіка грунтів. - Житомир, Полісся, 1992. - 249с.

24. Prakash Sh. Soil dynamics. - McGraw-Hill Book Company, 1993.414p.

25. Кулен А., Куиперс Х. Современная земледельческая механика. Пер. - с англ.А.Э. Габриэляна. Под ред. Ю.А. Смирнова. - М.: Агропромиздат, 1986. - 249с.

26. Забродський П.М. Обґрунтування процесу роботи і параметрів дискових робочих органів ґрунтообробних знарядь Дис. канд. техн. наук: 05.20.01. - Житомир, 1997. - 199с.

27. Кулен А., Куиперс Х. Современная земледельческая механика. Пер. - с англ.А.Э. Габриэляна. Под ред. Ю.А. Смирнова. - М.: Агропромиздат, 1986. - 249с.

28. Булгаков В.М., Цурпал І.А., Шелудченко Б.А. Факторно технологічна модель динаміки грунтових структур та її аналіз // Наук. вісник НАУ. - 1998. - №3. - с.139-143.

29. Булгаков В.М., Шелудченко Б.А. Самоорганізація грунтових структур. - Київ: Видавництво НАУ, 1998. - 58с.

30. Кушнарев А.С. Механика почв: Задачи и состояние работ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1987. - №3. - С.9-13

31. Числові імітаційні моделі в агротехнологічній механіці грунтів. За ред. Б.А. Шелудченка. - Житомир: ПМАН, 1996. - 89с.

32. Гуков Я.С. Обґрунтування кута різання робочих органів культиваторів-розпушувачів // Вісник аграрної науки. - 1998. - №11. - С.54-57

33. Гуков Я. С Обробіток грунту: технологія і техніка. - К.: Нора-принт, 1999. - 279с.

34. Корабельский В.И., Кравчук В. И, Павлоцкая В.А. Техническое обоснование и использование в экологической почвообработке поверхностей знакопеременного воздействия // Техника АПК. - 2001. - №7-9. - С.24-26

35. Корабельський В.І., Іванов О.М., Павлоцька В.А. Моделювання і проектування технологічного процесу ґрунтообробної скоби // Труды Таврической государственной агротехнической академии. Вып.4, том 2, - Мелитополь, - 1998. - С.96-99

36. Павлов А.В., Корабельский В.И., Павлоцкий А.С. Геометрическое обоснование формы поверхности, совмещающей рациональное резание пласта почвы с его деформацией. // Сб. прикл. и инж. граф. Вып. 19. - Киев. - Будівельник, - 1975. - С.124-127

37. Шелудченко Б.А. Обоснование рабочего процесса и параметров глубокорихлящих рабочих органов объемного типа: Дис. канд. техн. наук: 05.20.01. - Глеваха, 1990. - 207с.

38. Шубенко В.О. Обґрунтування процесу роботи та параметрів кільцевого робочого органу дискової борони: Дис. канд. техн. наук: 05.05.11. - Житомир, 2002. - 168с.

39. Котков В.І. Обґрунтування процесу роботи та параметрів робочого органу для обробітку ґрунту в міжряддях хмільників: Дис. канд. техн. наук: 05.20.01. - Житомир, 1998. - 168с.

40. Канарев Ф.М. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. - М.: Машиностроение, 1983. - 142с.

41. Кушнарев А.С., Кочев В.И. Механико-технологические основы обработки почвы. - К.: Урожай, 1989. - 144с.

42. Гольдштейн М.Н., Механические свойства грунтов. - М.: Издательство литературы по строительству, 1971. - 368с.

43. Шубенко В.О., Шелудченко Б.А., Кухарець С.М. Аналіз результатів показників якості обробітку грунту порівняльних випробувань 'кільцевих' робочих органів. // Вісник Державної агроекологічної академії України. - Ж.: ДААУ, 2000. - №1. - С.281-284.

44. Бубенников А.В. Начертательная геометрия: Учебник для втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 288с.

45. Павлова А.А. Начертательная геометрия: Учебник. - М.: ВЛАДОС, 1999. - 304с.

46. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин.М., 'Машиностроение', 1977 - 328с.

47. Бронштейн И.Н., Семендяєв К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., испр. - М.: Наука, 1986. - 544с.

48. Шелудченко Б.А. Агромеханіка грунтів. - Житомир, Полісся, 1992. - 249с.

49. Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С. Опір матеріалів / за ред.Г.С. Писаренка. - К.: Вища школа, 2003. - 665.

50. Скороходов Е.А., Законников В.П., Пакнис А.Б. и др. Общетехнический справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 469с.

51. Потемкин В.О. Система компьютерного проектирования 'Компас'. СПб.: Аскон, 2011 450с.

52. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416с.

53. ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытаний. - М.: Госкомсельхозтехника СССР. 1975. - 34с.

54. Надійність роботи ґрунтообробного знаряддя з 'кільцевими” ротаційними робочими органами за наявності у них технологічних тріщин /Б.А. Шелудченко, В.О. Шубенко, С.М. Кухарець та ін. // Вісник Державної агроекологічної академії України. - Ж.: ДААУ, 1999. - №1-2. - С.124-129.