Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів пневматичної сівалки точного висіву

Abstract

Дисертація на здобуття освітньо-наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування (13 «Механічна інженерія») – Дніпровський державний аграрно-економічний університет, Міністерство освіти та науки України, Дніпро, 2024. Мета роботи – підвищення ефективності процесу сівби насіння культурних рослин шляхом удосконалення конструкцій елементів системи подачі насіння пневматичної зернової сівалки точного висіву із обґрунтованими конструктивно-технологічними параметрами, що забезпечують точний висів, та конструкційними матеріалами, які обумовлюють підвищений ресурс їх експлуатації. Об'єкт дослідження – технологічний процес взаємодії елементів системи подачі насіння пневматичної зернової сівалки точного висіву із насінням культурних рослин. Предмет досліджень – залежність показників якості висіву і ресурсу експлуатації від властивостей конструкційних матеріалів та конструктивно- технологічних параметрів елементів системи подачі насіння пневматичної зернової сівалки точного висіву у відповідності із технологічними вимогами. Методи досліджень. Теоретичні дослідження були спрямовані на вивчення закономірностей взаємодії робочих елементів системи подачі насіння пневматичної зернової сівалки точного висіву з насінням за допомогою методів системного аналізу, теоретичної механіки, механіки суцільного середовища, а також інструментів інтегральних і диференціальних обчислень та чисельного моделювання в програмному середовищі Simcenter Star-CCM+. Експериментальні дослідження передбачали застосування як стандартних, так і спеціально розроблених методик, з використанням фізичних моделей і дослідних зразків робочих елементів, приладів та обладнання. Експерименти проводилися як в лабораторії, так і в умовах виробництва, з застосуванням методики планування багатофакторних експериментів. Обробка отриманих даних виконувалася за допомогою статистичних методів дисперсійного і регресійного аналізів та програмного забезпечення Wolfram Cloud і Microsoft Excel. Наукова новизна одержаних результатів. Уперше: – отримані аналітичні і емпіричні закономірності у вигляді рівнянь регресії другого порядку взаємозв’язку відношення площі випускних отворів до площі входу на сповільнювачі насіння удосконаленої висівної секції пневматичної сівалки, швидкості її переміщення, швидкості потоку повітря і норми висіву, що дозволяє досягти максимальної точності висіву і мінімальної швидкості насіння на виході з висівного башмака; – отримані аналітичні залежності впливу конструктивних параметрів заспокоювача насіння із профілем параболічної форми (товщина, кут нахилу, висота розміщення заспокоювача, висота п’яти і відстань її розміщення, координата фокуса параболи) удосконаленої висівної секції пневматичної зернової сівалки на напруження і значення коефіцієнта запасу його міцності, а також кінематику руху насінини після вильоту її з висівного башмака і взаємодії із дном борозенки і заспокоювачем; Отримали подальший розвиток: – фізико-математичний апарат руху насінин, як дискретних елементів на основі пружно-демпферної контактної моделі Герца-Міндліна, в удосконаленій системі подачі насіння пневматичної сівалки, який покладено в основу методики чисельного моделювання процесу точного висіву в програмному пакеті Simcenter STAR-CCM+. Практичне значення одержаних результатів. Удосконалену пневматичну сівалку John Deere 1890 впроваджено у ПП «Архангельське». Результати вимірювань показують, що точність висіву удосконаленої пневматичної зернової сівалки John Deere 1890 (із встановленим сповільнювачем і удосконаленим заспокоювачем насіння) вища (92,1–95,2 %), ніж базова (82,1–87,3 %). Результати науково-технічної роботи, у вигляді технічної і конструкторської документації на дослідний зразок сповільнювача насіння системи подачі насіння пневматичної зернової сівалки John Deere 90 Series, прийняті на ТОВ «Агротек-Інвест». Конструкція заспокоювача насіння прийнята і впроваджена на ТОВ «НВП» СОЮЗ- КОМПОЗИТ». Розроблені стенди для досліджень зусилля кручення і згину, методики моделювання процесу висіву насіння висівною секцією пневматичної зернової сівалки впроваджені в освітні компоненти ОПП «Агроінженерія» і ОНП «Галузеве машинобудування» для студентів другого (магістерського) і третього (освітньо-наукового) освітніх рівнів вищої освіти ДДАЕУ. Технологія No-till, серед інших систем ґрунтозахисного та ресурсозберігаючого землеробства (Conservation Agriculture), є найбільш перспективною з точки зору мінімізації пошкодження ґрунту. Вона зменшує механічне втручання та ерозію, а також знижує потребу у великому парку техніки. Ключовим аспектом цієї технології є якість сівби, тому велика увага приділяється посівним машинам. Основним недоліком пневматичних посівних машин є нерівномірний розподіл насіння між сошниками. Це призводить до нераціонального використання насіння, зниження врожайності та збільшення кількості бур'янів, що вимагає удосконалення систем висіву. Конфігурація елементів пневматичної системи сівалки, таких як насіннєпровід та розподільник, значно впливає на точність висіву. Елементи сівалки, як сповільнювач насіння (seed brake), башмак (seed boot) і заспокоювач (seed bounce flap), забезпечують не лише точність розподілу насіння, але й правильне укладання його в борозну, що є важливим для рівномірного проростання та захисту від впливу зовнішніх факторів. Обґрунтована конструктивно-технологічна схема удосконаленої висівної секції пневматичної сівалки, що включає раму із хомутом, однодисковий сошник, підшипниковий вузол, прикочувальне колесо, загортаюче колесо, висівний башмак із каналом для насіння, насіннєву трубку, насіннєпровід, заспокоювач насіння, яка відрізняється тим, що додатково містить верхній датчик висіву, який встановлений на насіннєпроводі; нижній датчик висіву, який встановлений на висівному башмаку; сповільнювач насіння, який встановлений між насіннєвою трубкою і насіннєпроводом і складається з перфорованого циліндра із отворами, верхнього звужувального патрубка, нижнього звужувального патрубка, циліндричної шторки із жорстко закріпленою вигнутої зубчастої рейки, сервопривода із зубчастим колесом; блок керування, який по засобах електричних проводів приєднаний до верхнього датчика висіву, нижнього датчика висіву і сервопривода. Dysertatsiia na zdobuttia osvitno-naukovoho stupenia doktora filosofii (PhD) za spetsialnistiu 133 Haluzeve mashynobuduvannia (13 «Mekhanichna inzheneriia») – Dniprovskyi derzhavnyi ahrarno-ekonomichnyi universytet, Ministerstvo osvity ta nauky Ukrainy, Dnipro, 2024. Meta roboty – pidvyshchennia efektyvnosti protsesu sivby nasinnia kulturnykh roslyn shliakhom udoskonalennia konstruktsii elementiv systemy podachi nasinnia pnevmatychnoi zernovoi sivalky tochnoho vysivu iz obgruntovanymy konstruktyvno-tekhnolohichnymy parametramy, shcho zabezpechuiut tochnyi vysiv, ta konstruktsiinymy materialamy, yaki obumovliuiut pidvyshchenyi resurs yikh ekspluatatsii. Obiekt doslidzhennia – tekhnolohichnyi protses vzaiemodii elementiv systemy podachi nasinnia pnevmatychnoi zernovoi sivalky tochnoho vysivu iz nasinniam kulturnykh roslyn. Predmet doslidzhen – zalezhnist pokaznykiv yakosti vysivu i resursu ekspluatatsii vid vlastyvostei konstruktsiinykh materialiv ta konstruktyvno- tekhnolohichnykh parametriv elementiv systemy podachi nasinnia pnevmatychnoi zernovoi sivalky tochnoho vysivu u vidpovidnosti iz tekhnolohichnymy vymohamy. Metody doslidzhen. Teoretychni doslidzhennia buly spriamovani na vyvchennia zakonomirnostei vzaiemodii robochykh elementiv systemy podachi nasinnia pnevmatychnoi zernovoi sivalky tochnoho vysivu z nasinniam za dopomohoiu metodiv systemnoho analizu, teoretychnoi mekhaniky, mekhaniky sutsilnoho seredovyshcha, a takozh instrumentiv intehralnykh i dyferentsialnykh obchyslen ta chyselnoho modeliuvannia v prohramnomu seredovyshchi Simcenter Star-CCM+. Eksperymentalni doslidzhennia peredbachaly zastosuvannia yak standartnykh, tak i spetsialno rozroblenykh metodyk, z vykorystanniam fizychnykh modelei i doslidnykh zrazkiv robochykh elementiv, pryladiv ta obladnannia. Eksperymenty provodylysia yak v laboratorii, tak i v umovakh vyrobnytstva, z zastosuvanniam metodyky planuvannia bahatofaktornykh eksperymentiv. Obrobka otrymanykh danykh vykonuvalasia za dopomohoiu statystychnykh metodiv dyspersiinoho i rehresiinoho analiziv ta prohramnoho zabezpechennia Wolfram Cloud i Microsoft Excel. Naukova novyzna oderzhanykh rezultativ. Upershe: – otrymani analitychni i empirychni zakonomirnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku vzaiemozviazku vidnoshennia ploshchi vypusknykh otvoriv do ploshchi vkhodu na spovilniuvachi nasinnia udoskonalenoi vysivnoi sektsii pnevmatychnoi sivalky, shvydkosti yii peremishchennia, shvydkosti potoku povitria i normy vysivu, shcho dozvoliaie dosiahty maksymalnoi tochnosti vysivu i minimalnoi shvydkosti nasinnia na vykhodi z vysivnoho bashmaka; – otrymani analitychni zalezhnosti vplyvu konstruktyvnykh parametriv zaspokoiuvacha nasinnia iz profilem parabolichnoi formy (tovshchyna, kut nakhylu, vysota rozmishchennia zaspokoiuvacha, vysota piaty i vidstan yii rozmishchennia, koordynata fokusa paraboly) udoskonalenoi vysivnoi sektsii pnevmatychnoi zernovoi sivalky na napruzhennia i znachennia koefitsiienta zapasu yoho mitsnosti, a takozh kinematyku rukhu nasinyny pislia vylotu yii z vysivnoho bashmaka i vzaiemodii iz dnom borozenky i zaspokoiuvachem; Otrymaly podalshyi rozvytok: – fizyko-matematychnyi aparat rukhu nasinyn, yak dyskretnykh elementiv na osnovi pruzhno-dempfernoi kontaktnoi modeli Hertsa-Mindlina, v udoskonalenii systemi podachi nasinnia pnevmatychnoi sivalky, yakyi pokladeno v osnovu metodyky chyselnoho modeliuvannia protsesu tochnoho vysivu v prohramnomu paketi Simcenter STAR-CCM+. Praktychne znachennia oderzhanykh rezultativ. Udoskonalenu pnevmatychnu sivalku John Deere 1890 vprovadzheno u PP «Arkhanhelske». Rezultaty vymiriuvan pokazuiut, shcho tochnist vysivu udoskonalenoi pnevmatychnoi zernovoi sivalky John Deere 1890 (iz vstanovlenym spovilniuvachem i udoskonalenym zaspokoiuvachem nasinnia) vyshcha (92,1–95,2 %), nizh bazova (82,1–87,3 %). Rezultaty naukovo-tekhnichnoi roboty, u vyhliadi tekhnichnoi i konstruktorskoi dokumentatsii na doslidnyi zrazok spovilniuvacha nasinnia systemy podachi nasinnia pnevmatychnoi zernovoi sivalky John Deere 90 Series, pryiniati na TOV «Ahrotek-Invest». Konstruktsiia zaspokoiuvacha nasinnia pryiniata i vprovadzhena na TOV «NVP» SOIuZ- KOMPOZYT». Rozrobleni stendy dlia doslidzhen zusyllia kruchennia i zghynu, metodyky modeliuvannia protsesu vysivu nasinnia vysivnoiu sektsiieiu pnevmatychnoi zernovoi sivalky vprovadzheni v osvitni komponenty OPP «Ahroinzheneriia» i ONP «Haluzeve mashynobuduvannia» dlia studentiv druhoho (mahisterskoho) i tretoho (osvitno-naukovoho) osvitnikh rivniv vyshchoi osvity DDAEU. Tekhnolohiia No-till, sered inshykh system gruntozakhysnoho ta resursozberihaiuchoho zemlerobstva (Conservation Agriculture), ye naibilsh perspektyvnoiu z tochky zoru minimizatsii poshkodzhennia gruntu. Vona zmenshuie mekhanichne vtruchannia ta eroziiu, a takozh znyzhuie potrebu u velykomu parku tekhniky. Kliuchovym aspektom tsiiei tekhnolohii ye yakist sivby, tomu velyka uvaha prydiliaietsia posivnym mashynam. Osnovnym nedolikom pnevmatychnykh posivnykh mashyn ye nerivnomirnyi rozpodil nasinnia mizh soshnykamy. Tse pryzvodyt do neratsionalnoho vykorystannia nasinnia, znyzhennia vrozhainosti ta zbilshennia kilkosti burianiv, shcho vymahaie udoskonalennia system vysivu. Konfihuratsiia elementiv pnevmatychnoi systemy sivalky, takykh yak nasinnieprovid ta rozpodilnyk, znachno vplyvaie na tochnist vysivu. Elementy sivalky, yak spovilniuvach nasinnia (seed brake), bashmak (seed boot) i zaspokoiuvach (seed bounce flap), zabezpechuiut ne lyshe tochnist rozpodilu nasinnia, ale y pravylne ukladannia yoho v boroznu, shcho ye vazhlyvym dlia rivnomirnoho prorostannia ta zakhystu vid vplyvu zovnishnikh faktoriv. Obgruntovana konstruktyvno-tekhnolohichna skhema udoskonalenoi vysivnoi sektsii pnevmatychnoi sivalky, shcho vkliuchaie ramu iz khomutom, odnodyskovyi soshnyk, pidshypnykovyi vuzol, prykochuvalne koleso, zahortaiuche koleso, vysivnyi bashmak iz kanalom dlia nasinnia, nasinnievu trubku, nasinnieprovid, zaspokoiuvach nasinnia, yaka vidrizniaietsia tym, shcho dodatkovo mistyt verkhnii datchyk vysivu, yakyi vstanovlenyi na nasinnieprovodi; nyzhnii datchyk vysivu, yakyi vstanovlenyi na vysivnomu bashmaku; spovilniuvach nasinnia, yakyi vstanovlenyi mizh nasinnievoiu trubkoiu i nasinnieprovodom i skladaietsia z perforovanoho tsylindra iz otvoramy, verkhnoho zvuzhuvalnoho patrubka, nyzhnoho zvuzhuvalnoho patrubka, tsylindrychnoi shtorky iz zhorstko zakriplenoiu vyhnutoi zubchastoi reiky, servopryvoda iz zubchastym kolesom; blok keruvannia, yakyi po zasobakh elektrychnykh provodiv pryiednanyi do verkhnoho datchyka vysivu, nyzhnoho datchyka vysivu i servopryvoda.