65531

СИСТЕМНІ ТА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ РОЗПУШУВАЧІВ ҐРУНТУ

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Розробка комплексу нових знарядь можлива при системному підході тобто при розгляді обробітку ґрунту як доповнення до природних ґрунтоутворюючих процесів на основі більш повного урахування механічних фізичних і біологічних властивостей ґрунту.

Украинкский

2014-07-31

411.5 KB

1 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 35

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

«ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА»

ННЦ «ІМЕСГ»

ВЕТОХІН ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

УДК 631.312

   

СИСТЕМНІ ТА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ РОЗПУШУВАЧІВ ҐРУНТУ

05.05.11 - машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Глеваха – 2010


Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України

«Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України і

ВАТ «Науково-дослідний інститут сільськогосподарського машинобудування

ім. В.П. Горячкина «ОАО «ВИСХОМ»»

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Панов Іван Михайлович, ВАТ «Науково-дослідний інститут сільськогосподарського машинобудування ім. В.П. Горячкина «ОАО «ВИСХОМ»»

Офіційні опоненти:  член-кореспондент НААНУ, доктор технічних наук, професор Кушнарьов Артур Сергійович, Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Л. Погорілого, провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Навчально-науковий технічний інститут НУБіП України, директор;

доктор технічних наук, професор Пащенко Володимир Филимонович, Харківський національний аграрний університет ім. В.В.Докучаєва, завідувач кафедрою

Захист відбудеться 28 жовтня 2010 р. о 13-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.358.01 у Національному науковому центрі «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» (ННЦ «ІМЕСГ») за адресою: 08631, Україна, Київська обл., Васильківський р-н,

смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства»

(ННЦ «ІМЕСГ») за адресою: 08631, Україна, Київська обл., Васильківський р-н,

смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11

Автореферат розісланий                       28 вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Москаленко С.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Сучасне світове сільськогосподарське виробництво, у тому числі України і Росії, знаходиться під впливом таких факторів як подорожчання матеріальних й енергетичних ресурсів, зростання споживання сільгосппродукції, зменшення природної родючості ґрунтів, збільшення забруднення й ерозії сільгоспугідь. Процеси, що відбуваються, отримали розуміння як продовольча, енергетична й екологічна кризи. Інтенсивне природокористування призвело до негативних змін біоагроценозу, що розглядається як екологічна проблема не тільки орних площ, але й всього навколишнього середовища. У цих умовах як альтернатива традиційним технологіям вирощування сільськогосподарських культур із застосуванням полицевої оранки розвиваються технології з мінімальним обробітком та сівбою в необроблений ґрунт, які мають ґрунтозахисну спрямованість.

Зміни, що відбуваються в аграрних технологіях, вимагають вдосконалювання існуючих та створення нових знарядь і машин.

Розробка комплексу нових знарядь можлива при системному підході, тобто при розгляді обробітку ґрунту як доповнення до природних ґрунтоутворюючих процесів, на основі більш повного урахування механічних, фізичних і біологічних властивостей ґрунту. Тому проблема створення енергозберігаючих технологій, і відповідних технічних засобів, це системна проблема, що має екологічне значення й не може бути вирішена простим зменшенням глибини обробітку ґрунту або її виключенням, тобто застосуванням тільки мінімальних технологій. При розгляді процесу обробітку ґрунту, як частини природних ґрунтоутворюючих процесів, проблема створення нової техніки може бути умовно зведена до створення знарядь, що діють на ґрунт оптимальним чином.

Ґрунтозахисний аспект обробітку ґрунту останнім часом набуває особливу гостроту. Практично 50% посівних площ України перебувають в ерозійно небезпечних зонах. Роботами багатьох наукових установ усіх розвинених країн встановлено, що, при даному стані науки й техніки для боротьби з вітровою й водною ерозією, а також з переущільненням ґрунту, найбільш ефективним є безполицеве розпушення, у тому числі чизельними плугами і плугами-розпушувачами на глибину до 0,45-0,7 м.

Таким чином, загальна проблема ресурсозбереження й конкретна проблема створення робочих органів знарядь, що забезпечують необхідні параметри розпушення ґрунту, у тому числі якості кришення, при мінімальних енерговитратах і збереженні родючості ґрунту, є досить актуальною в цей час.

Робота зв'язана з наступними науковими програмами, планами, темами: 40.01-048/02 «Розробити й дослідити імітаційні моделі й на їх базі сформувати наукові основи ґрунтозахисних ресурсоощадних способів диференційованого обробітку ґрунту стосовно ґрунтово-кліматичних зон»; КПКВ 2601160 «Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу на 1998-2005 роки», позиція 3.1.20 «Створити комбіновані плуги-розпушувачі до тракторів кл. 3,0 й 5,0»; 0108U000732 «Теорія структурно-параметричного геометричного моделювання складних виробів машинобудування».

Мета дослідження: обґрунтувати системні й фізико-механічні основи створення розпушуючих робочих органів, включаючи взаємозв'язок їхньої форми й параметрів з оптимальною, виходячи із властивостей ґрунту, деформацією скиби ґрунту, мінімізацією енергетичних витрат й екологічно безпечним станом оброблюваного ґрунту.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання дослідження:

  •  проаналізувати способи й технічні засоби, що застосовуються для розпушування ґрунту, форми й параметри робочих органів розпушувачів, а також наявну теоретичну базу створення нових робочих органів;
  •  розглянути властивості й характеристики ґрунту, у тому числі міцнісні та деформаційні, й обґрунтувати принципи зміни стану ґрунту;
  •  проаналізувати фізичні процеси при взаємодії розпушуючих робочих органів із ґрунтом і виявити фактори, що впливають на якість кришення й енергоємність процесу розпушення ґрунту;
  •  розглянути закономірності функціонування системи «джерело енергії  робочий орган – ґрунт»;
  •  розробити модель кришення скиби ґрунту розпушуючими робочими органами;
  •  виявити вплив типу робочого органу на характер процесів при обробітку ґрунту та виконати класифікацію розпушувачів ґрунту;
  •  розробити фізичні критерії класифікації форм робочих поверхонь розпушувачів;
  •  розробити методологію та рекомендації з проектування розпушувачів ґрунту з використанням ЕОМ;
  •  разом з науковими й конструкторськими організаціями розробити, виготовити й випробувати розпушувачі різного призначення з визначенням агротехнічних, енергетичних й економічних показників.

Об'єктами досліджень є процеси при взаємодії знаряддя й ґрунту, технологічні операції для розущільнення ґрунту, фізичні процеси при розпушуванні ґрунту, напружено-деформований стан шару під впливом розпушувальних робочих органів, засоби впливу на фізичні, механічні, екологічні та інші параметри стану ґрунту.

Предметом досліджень є система «знаряддя – ґрунт», експериментальні й серійні розпушуючі робочі органи та зразки чизельных плугів і плугів-розпушувачів.

Методи теоретичних досліджень базувалися на аналізі та моделюванні фізичних явищ при обробітку ґрунту, загальних принципах системного аналізу, використанні закономірностей механіки суцільного середовища. Експериментальні дослідження проводилися на моделях та натурних зразках робочих органів і знарядь із застосуванням стандартних і спеціальних методик.

Наукову новизну становлять:

  •  систематизація властивостей та параметрів стану ґрунту;
  •  модель явища динамічної самоадаптації системи «джерело енергії  робочий орган  ґрунт»;
  •  модель явища саморегулювання форми долотоподібного знаряддя;
  •  модель кришення скиби ґрунту в системі «джерело енергії  робочий орган – ґрунт»;
  •  модель механізму перетворення локального стиску ґрунту в деформації розтягання й зрушень в об’ємі шару ґрунту при взаємодії із ґрунтом клиноподібного робочого органа;
  •  класифікація розпушуючих знарядь на підставі відмінностей у фізиці процесу взаємодії з ґрунтом;
  •  сформульована властивість знарядь зі зменшенням по ходу ґрунту кривизни повздовжнього та поперечного профілів робочих поверхонь перетворювати деформацію локального стиску ґрунту у деформації зсуву з розтягуванням;
  •  алгоритм проектування розпушуючих робочих органів.

Практичну цінність становлять:

  •  рекомендації з використання системи властивостей і станів ґрунту;
  •  рекомендації з використання класифікації розпушуючих знарядь;
  •  рекомендації з вибору раціональних форм робочих органів розпушувачів, що забезпечують оптимальний деформовано-напружений стан шару ґрунту при мінімальних енерговитратах;
  •  конструкції розпушувачів ґрунту з новими робочими органами;
  •  метод й алгоритм проектування знарядь із застосуванням ЕОМ.

Рекомендації із проектування робочих органів розпушувальних знарядь використані ГСКБ «Одесаґрунтомаш» (ВАТ “ГСКБ «Ґрунтомаш»), ВКФ «Велес-Агро», НВФ «Наука» при створенні нової техніки, а результати теоретичних досліджень – при викладанні навчальних курсів на кафедрі «Сільськогосподарського машинобудування» Кіровоградського національного технічного університету.

Реалізація результатів досліджень підтверджується наступними документами: «Довідка ВАТ ГСКБ «Ґрунтомаш» про використання результатів наукових досліджень Ветохіна В.І. № 78 від 12.02.2008»; «Довідка ВКФ «Велес-Агро» про використання результатів наукових досліджень Ветохіна В.І.»; «Довідка НВФ «Наука» від 15.07.2009», «Довідка Кіровоградського НТУ від 11.06.2010».

Особистий внесок здобувача. Нові наукові положення, що виносяться на захист, отримані особисто здобувачем під керівництвом наукового консультанта д.т.н. проф. Панова І.М.

Апробація роботи. Основні положення дисертації повідомлені і отримали схвалення наукових конференцій і засідань: Х Міжнародної конференції геометрії й графіки  Київ, КПІ, 2002 р.; ІІ Всеукраїнської конференції-семінарі докторантів, аспірантів і дослідників в галузі аграрної інженерії "Проблеми створення та технічної експлуатації машин і обладнання" – Кіровоград, квітень 2007 р.; Міжнародної науково-практичної конференції "Науково-технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві", присвяченої 60-річчю «ЦНИИМЭСХ»  Мінськ, РУП «НПЦ МСХ», жовтень 2007 р.; Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми конструювання, виробництва й експлуатації сільськогосподарської техніки", присвяченої 110-річчю заснування першої в Росії кафедри СГМ  Кіровоград, КНТУ, листопад 2007 р.; Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 120-річчю від дня народження М.І. Вавілова «Вавіловські читання – 2007»  Саратов, СДАУ, листопад 2007 р.; Міжнародної конференції присвяченої 140-річчю від дня народження В.П. Горячкина  Москва, МДАУ ім. В.П. Горячкина , лютий 2008 р.; Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 60-річчю створення інституту випробувань машин ім. Л. Погорілого «Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій», Дослідницьке, вересень 2008 р.; Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 95-річчю Саратовського держагроуніверситету «Вавіловські читання – 2008»  Саратов, СДАУ, листопад 2008 р.; ІХ міжнародної інтернет-конференції «Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки та технологій», присвяченої 110-річчю започаткування випробувань в Україні й 60-річчю створення УкрМВС-ВНДІВМОТ-УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, вересень 2008 р.; науково-практичної конференції в рамках Міжнародного форуму «ІНТЕРАГРО-2009»  Київ, лютий 2009 р.; XL науковій конференції викладачів, аспірантів і співробітників КНТУ  Кіровоград, КНТУ, квітень 2009 р.; Міжнародної науково-практичної конференції "Екологія і сільськогосподарська техніка"  м. Пушкін, ГНУ СЗНИИМЭСХ, травень 2009 р.; ХІ Міжнародної науково-практичної конференції з нагоди 75-річчя від дня народження академіка УААН і РАСГН Л.В. Погорілого «Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки» – Дослідницьке: Мінагрополітики України, УААН, УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого», вересень 2009 р.; ХVІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві»  Глеваха, ННЦ «ІМЕСГ» УААН, вересень-жовтень 2009 р.; засіданні відділу ГНУ ВИМ Россельхозакадемии,  Москва, жовтень 2009 р.; VІІ Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки",  Кіровоград, КНТУ, жовтень 2009 р.; засіданнях НТР ГСКБ «Одесаґрунтомаш» в 1992-2008 рр.; засіданнях НТР ВАТ «ВИСХОМ» в 2006-2009 рр.; професорсько-викладацького складу Національного технічного університету України «КПІ» в 2008-2009 рр.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 36 наукових праць та патентів, у тому числі 2 монографії. Технічні рішення, виконані на основі наукових положень дослідження, захищені патентами України і Росії.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти глав, загальних висновків і рекомендацій, списку літератури й додатків. Зміст роботи викладений на 284 сторінках і включає 18 таблиць та 134 рисунки. Список літератури містить 342 найменування, у тому числі 29 іноземними мовами.

ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтована актуальність проблеми пошуку шляхів ресурсозбереження при створенні нових менш енергоємних й екологічно безпечних розпушуючих робочих органів. Показано народногосподарське значення розроблення нових технічних засобів для ґрунтозахисних технологій, з урахуванням необхідності підвищення родючості ґрунту, захисту ґрунту від ерозії, збереження екології й мінімізації енерговитрат.

У ГЛАВІ 1 «СТАН ПРОБЛЕМИ, МЕТА Й ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ» розглянуто сучасний стан землеробської механіки та перспективи її розвитку.

Роботами Л.Ф. Бабицького, А.В. Баукова, М.П. Білоткача, В.В. Блєдних, В.М. Бойкова, І.Б. Борисенка, П.М. Бурченка, Р.В. Бідлінгмайера, М.П. Бистрова, А.Т. Вагіна, В.І. Виноградова, В.І. Гасиліна, Д.А. Глейберзона, В.П. Горячкина, А.П. Грибановського, О.М. Гудкова, Я.С. Гукова, Е.Й. Давидсона, Г.А Деграфа, В.О. Дубровіна, О.Ф. Жука, А.М. Зеленіна, В.В. Кацигіна, В.П. Ковбаси, В.І. Корабельського, П.С. Короткевича, К.К. Косинбаєва, П.О. Куті, А.С. Кушнарьова, В.О. Лаврухіна, М.С. Левчука, А.А. Лєптеєва, Я.П. Лобачевського, М.Ю. Мацепуро, В.О. Милюткіна, С.Г. Мударісова, М.М. Мурадова, М.Н. Нагорного, Ю.Ф. Новікова, О.П. Осадчего, В.П. Островського, А.С. Павлоцького, І.М. Панова, А.М. Панченка, В.Ф. Пащенка, О.О. Плішкина, Г.В. Плющева, Л.В. Погорілого, М.Д. Подскребка, А.Ф. Проніна, П.І. Прокопцева, Р.С. Рахімова, В.М. Сала, С.А. Сидорова, Г.М. Синеокова, П.В. Сисоліна, Ж.Е. Токушева, В.В. Третяка, В.П. Труфанова, І.А. Шевченка, Б.А. Шелудченка та багатьох інших вирішена значна кількість наукових проблем землеробської механіки, пов’язаних з проектуванням знарядь для обробітку ґрунту.

Засновник землеробської механіки академік В.П. Горячкин вважав, що в основу загальної теорії всіх сільськогосподарських машин повинні бути поставлені теорія руйнування матеріалів, їхні фізико-механічні властивості і теорія клина. Він вважав, що основним видом деформації ґрунту при утворенні стружки є зсув. На думку Г.М. Синеокова, середньосуглинисті ґрунти, оптимальної для обробітку вологості, деформуються відривом. Ю.Ф. Новіков встановив, що деформації зсуву й відриву рівноймовірнісні і, залежно від параметрів клина й стану ґрунту, деформація ґрунту клином має статистичний характер, тим самим підтвердив передбачену В.П. Горячкиним імовірнісну схему утворення стружок. Найбільшу увагу В.П. Горячкин надавав гранулометричному складу обробленого ґрунту, тому що, на його думку, надалі підтверджену М.А. Качинським, І.Б. Ревутом, В.В. Медведєвим та іншими, ступінь дисперсності ґрунту визначає комплекс фізико-хімічних й агробіологічних процесів, що сприяють підвищенню урожаїв.

Значний внесок у теорію різання ґрунту внесли роботи Г.М. Синеокова. На відміну від теорії клина В.П. Горячкина, Г.М. Синеоков у розрахунок загального зусилля різання додатково ввів зусилля динамічного тиску ґрунту на клин, обумовлене інерцією скиби, а також привернув увагу до зусилля проникнення ріжучої крайки в ґрунт.

Роботами А.М. Зеленіна був уточнений метод розрахунку опору різанню ґрунтів, заснований на теорії Кулона-Мору. По А.М. Зеленіну основну частку зусилля різання становить зусилля на проникнення в ґрунт ріжучої крайки леза робочого органу, що зростає в міру її зношування й утворення на ній ущільненого ядра з оброблюваного ґрунту.

Роботами В.І. Виноградова, М.Д. Подскребка, А.С. Кушнарьова, О.М. Гудкова, Л.В. Погорілого, В.В. Кацигіна та багатьох інших доведено, що у відмінності від моделі ґрунту у вигляді суцільного середовища з ізотропними властивостями, прийнятої В.П. Горячкиним, природно складений ґрунт є нелінійним пружно-пластично-в’язким середовищем з анізотропними характеристиками, зі статистично розподіленими дефектами у вигляді мікро- й макротріщин, порожнин й сторонніх включень. Цей факт значно ускладнює моделювання процесу деформування ґрунту з метою проектування знарядь.

Відомі математичні моделі взаємодії робочого органу з ґрунтом, внаслідок значної складності фізичних процесів, що відбуваються у ґрунті під дією робочих органів, пов’язані зі значними спрощеннями, моделюють певний тип робочого органу, або можуть бути віднесені до моделей типу «чорний ящик», внаслідок чого не розкривають фізичну картину процесу.

Поряд з констатацією факту, що основою проектування ґрунтообробних знарядь мають бути властивості ґрунту, знання про ці властивості стосовно машинобудівного аспекту проблеми не сформульовані у вигляді причинно-наслідкової залежності. Значна кількість різновидів ґрунтообробних робочих органів та форм їх робочих поверхонь не знайшли об’єднуючого пояснення на основі фізики процесів при обробітку ґрунту.

Проведений аналіз показав, що накопичено значний обсяг наукових знань, але закінченої теоретичної картини взаємодії робочого органу з ґрунтом, яку можна покласти в основу проектування нових робочих органів знарядь, досі не отримано. У той же час загальна теорія систем дозволяє отримати узагальнюючу картину процесів у системах, але не розкриває механізмів цих процесів стосовно предметної галузі. На основі проведеного аналізу сформульовано, що науковою проблемою даної роботи є необхідність встановлення закономірностей зв'язку процесів у системі «джерело енергії  розпушувач – ґрунт» і на цій основі обґрунтування основ проектування і розрахунку розпушувачів.

У ГЛАВІ 2 «ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТУ ЯК ОБ'ЄКТА ВЗАЄМОДІЇ З РОБОЧИМИ ОРГАНАМИ» показано, що вирішити проблему ресурсозбереження можливо при проектуванні ґрунтообробного знаряддя на базі властивостей оброблюваного середовища – ґрунту.

Аналіз елементарних фізико-механічних властивостей та характеристик ґрунту показав, що співвідношення міцності на стиск і розтягання за численними даними становить [стиск]/[розт] ≥ 2÷20. Важливо, що при зміні у широких межах інших параметрів стану ґрунту вказане співвідношення зберігається більш стабільно. Відома здатність ґрунту знаходитись у різних деформованих станах (пластичному та крихковидному) в залежності від виду напруженого стану (відповідно всебічне стискання та зсув з розтяганням). Енерговитрати на деформацію у пластичному стані значно перевищують енерговитрати при крихковидній деформації.

З викладеного випливають наступні висновки:  найбільш перспективним з погляду економії енергії при механічному обробітку ґрунту є використання деформацій розтягання й зсуву, та крихко-видних деформацій, однак технічна реалізація цього положення має певні складності;  в основу проектування форми знаряддя слід покладати не чисельні значення опору різним деформаціям, а співвідношення цих характеристик, які мають більш стабільний характер;  необхідно з’ясувати, як особливості фізико-механічних властивостей ґрунту проявляються в процесі взаємодії робочого органу з шаром ґрунту і як врахувати ці механізми при проектуванні розпушувачів ґрунту.

Подальше вивчення наявних уявлень про властивості ґрунту показало, що знання про властивості ґрунту представлені без належних причинно-наслідкових зв’язків і не дають достатніх підстав для використання в проектуванні ґрунтообробних знарядь. Для систематизації властивостей ґрунту змоделюємо процес передачі енергії і перетворення стану ґрунту.

Перетворення стану ґрунту відбувається за участю джерела енергії і знаряддя. За висловом В.П. Горячкина: знаряддя  це передаточний ланцюг енергії від джерела енергії (трактора) до споживача енергії (ґрунту). Узагальнимо цей вираз: технологічний процес обробітку ґрунту полягає у внесенні/вилученні в/із ґрунту енергії й речовини (природних або техногенних) (рис. 1). У загальному вигляді обмін енергією і речовиною здійснюються одночасно, що супроводжується зміною структури й складу ґрунту. Зміна складу й структури ґрунту змінює плин обмінних процесів між ґрунтом і навколишнім середовищем й усередині ґрунту. Певний обсяг обмінних процесів формує врожай.

Всю сукупність властивостей ґрунту можливо поділити на властивості, що змінюються під впливом зовнішніх і внутрішніх факторів – кількісні параметри стану, та незмінні показники  якісні властивості. Якісні показники властивостей і кількісні параметри стану ґрунту перебувають у ієрархічній залежності й утворюють систему (рис. 2).

Рис. 1. Узагальнена схема технологічного процесу обробітку ґрунту

Рис. 2. Система властивостей, параметрів стану та факторів керування станом ґрунту

Властивості ґрунту (якісні)  це характеристики реакції ґрунту на зовнішню і внутрішню дію. Якісні властивості ґрунту мають ієрархічний порядок, не мають фізичної розмірності, зокрема розмірності «час». Параметри стану ґрунту  це кількісні фізичні характеристики, що мають відповідну розмірність, або вимірюються безрозмірним співвідношенням фізичних величин.

У запропонованій «Системі властивостей ґрунту» властивості та відповідні узагальнені параметри стану ґрунту розташовуються на чотирьох рівнях в ієрархічній залежності: властивість родючості (урожайність) → обмінні властивості (потужність енерго- та масообміну) → властивість утворювати структуру та розущільнюватися (структура) → фізико-механічні та інші базові властивості (міцність, склад, вологість).

Внесення / вилучення енергії й речовини розглядаються як способи керування станом ґрунту. Ці способи реалізуються відповідними технічними засобами. Внесення добрив, меліорація, хімізація забезпечують внесення / вилучення енергії й речовини, механічний обробіток – внесення / вилучення енергії. Перераховані фактори діють поряд із природними процесами обміну енергією й речовиною.

Обробіток ґрунту ґрунтообробним знаряддям відбувається завдяки властивості ґрунту «Здатність утворювати структуру і розущільнюватися» і, як правило, зводиться до внесення до природного балансу додаткової енергії та речовини. Механічний обробіток ґрунту не впливає на якісні властивості ґрунту, а змінює кількісне значення параметрів стану ґрунту, зокрема змінює структуру шару ґрунту.

Причинно-наслідковий зв'язок процесів відповідно до «Системи властивостей» можливо викласти наступним чином. Розпушення та розущільнення ґрунту  це процес збільшення площі активної поверхні агрегатів ґрунту. У свою чергу, цей показник впливає на кількісну характеристику обмінних властивостей ґрунту  потужність енерго- масообміну. Обмінні характеристики, у свою чергу, впливають на кількість урожаю – кількісну характеристику родючості ґрунту.

У кінцевому результаті, будь-які операції механічного обробітку ґрунту – розпушення, ущільнення, прикочування, щілювання, внесення меліорантів, обертання скиби і так далі, є операціями управління обмінними характеристиками ґрунту. Як наслідок зміни параметрів обмінних процесів – зміна параметра врожайність. Ті самі наслідки має дія природних факторів. Звідси головний напрямок економії ресурсів – зміна співвідношення техногенних і природних факторів у керуванні станом ґрунту та раціональний ступінь кришення ґрунту.

Властивості ґрунту проявляються в процесі взаємодії ґрунту з робочим органом – ґрунтообробним знаряддям. Науковою проблемою при проектуванні ґрунтообробних знарядь, як відображення властивостей ґрунту, є необхідність находження відповідності форми робочих органів  геометричного об’єкта, і процесу зміни стану ґрунту  фізичного об’єкта.

Таким чином, науковою проблемою є необхідність винайти відповідність чотиривимірного фізичного об’єкту з розмірністю [L3 T1] й тривимірного геометричного об’єкту з розмірністю [L3].

Шляхи рішення проблеми (робоча гіпотеза):

  1.  Знайти у фізичному процесі взаємодії деформатора і ґрунту фізичні явища, що компенсують незмінність геометричної форми в часі, або знайти механіку змінності форми за часом, динаміку форми.
  2.  Знайти у фізико-механічних параметрах стану ґрунту параметри відносно стабільні в часі й механізм відображення цих параметрів в формі робочого органу.
  3.  Внести в геометрію знаряддя 4-й вимір, наприклад змінну за часом форму поверхні, або умовно змінну, тобто змінну для того ж об'єму ґрунту, але в різні для нього моменти часу, змінну за рухом шару ґрунту. Причому цей аспект динаміки форми має відповідати менш енерговитратному механізму процесу.

Стосовно другої тези, як вище наведено, ґрунт має значну різницю міцності при стисканні та при розтяганні, а також при крихковидній та пластичній деформаціях. На ці співвідношення не впливає вимір часу. Перша та третя тези будуть теоретично проаналізовані у третій та четвертій главах.

Для аналізу причинно-наслідкових зв’язків параметрів форми робочого органу і зміни стану ґрунту виконаємо аналіз ланцюга перетворення (переходу) енергії і речовини від робочого органу до ґрунту відповідно до «Системи властивостей і станів ґрунту». Запишемо ланцюг перетворення енергії (роботи А [L5 T-4]), використовуючи систему LT фізичних величин Р.Л. Бартіні (табл. 1).

Таблиця 1

КЕРУЮЧИЙ ФАКТОР→ техногенний/природний

СТРУКТУРА ШАРУ ҐРУНТУ 

ПОТУЖНІСТЬ ЕНЕРГООБМІНУ

 ВРОЖАЙНІСТЬ

Робота (ґрунтообробного агрегату в тому числі)

АТ [L5 T-4] + АП [L5 T-4]

Робота по формо-

зміні шару ґрунту

→ P [L2 T-4] ∆V [L3]

Приріст потужності енергообміну в рік

→ ∆N [L5T-5] Т [T1]

Енергія урожаю (приріст)

→ ∆W [L5 T-4]

Робота з формозміни шару ґрунту – процес РОЗПУШУВАННЯ:

АТ [L5 T-4]+ АП [L5 T-4] → P [L2 T-4] ∆V [L3] → ∆N [L5T-5] Т[T1] → ∆W [L5 T-4], (1)

де АТ [L5 T-4] й АП[L5 T-4] – відповідно робота техногенних і природних сил;

P [L2 T-4] – тиск, що призводить до зміни об’єму, наприклад, на робочий поверхні робочого органу;

∆V [L3] – зміна об’єму шару ґрунту;

∆N [L5T-5] – потужність енергообміну;

Т[T1] – протяжність часу;

∆W [L5 T-4] – приріст енергії урожаю.

Робота утворення нових поверхонь у шарі ґрунту – процес кришення:

АТ [L5 T-4] + АП [L5 T-4] → Ппр [L4 T-4 L-2] ∆S [L2] ∆L[L],   (2)

де Ппр [L4 T-4 L-2] – межа міцності ґрунту;

∆S [L2] – зростання площі вільної поверхні часток ґрунту;

∆L[L] – відстань (шлях).

Робота по переміщенню маси ґрунту в гравітаційному й інерційному полях – «швидкісна складова»:

АТ [L5 T-4] + АП [L5 T-4] → dМ/dt [L3 T-3] ∆U [L2 T-2] ∆Т [T1] ,  (3)

де dМ/dt [L3 T-3] – потік маси;

∆U [L2 T-2] – різниця потенціалів (прискорення площі, квадрат швидкості).

Ще один компонент швидкісної складової  це робота по перетворенню потоку маси ґрунту при взаємодії з робочою поверхнею:

АТ [L5 T-4] + АП [L5 T-4] → dМ/dt [L3 T-3] VS [L2 T-1],  (4)

де dМ/dt [L3 T-3] – потік маси;

VS [L2 T-1] – швидкість площі робочої поверхні знаряддя відносно потоку маси скиби ґрунту.

Сукупна залежність перетворення техногенної та природної енергії (роботи) при обробітку ґрунту має вигляд

АТ [L5 T-4]+ АП [L5 T-4] → Апот + P [L2 T-4] ∆V [L3] + Ппр [L4 T-4 L-2] ∆S [L2] ∆L[L] + dМ/dt [L3 T-3] ∆U [L2 T-2] ∆Т [T1] + dМ/dt [L3 T-3] VS [L2 T-1] → ∆N [L5T-5] Т[T1] → ∆W [L5 T-4],            (5)

де Апот  непродуктивна робота (робота втрат).

В залежність (5) входять параметри, що у загальному вигляді визначають параметри та форму робочого органу та процесу деформування ґрунту:

P  тиск на робочій поверхні; ∆V – прирощення об’єму скиби пропорційно об’єму клина, що впроваджується у моноліт; Ппр – межа міцності ґрунту; М – маса скиби; ∆U  прискорення площі робочої поверхні; VS  швидкість площі робочої поверхні відносно потоку маси скиби ґрунту.

Виходячи з аналізу «Системи властивостей ґрунту» та залежності (5), шляхи зниження витрат ресурсів складаються з наступних компонентів: зменшення кожної складової, що відноситься до геометричної форми знаряддя; використання особливостей міцнісних властивостей ґрунту; підвищення ККД процесу; заміщення частки техногенної енергії природною енергією.

Напрямок економії ресурсів шляхом заміщення частки техногенної енергії природною розвивається останнім часом як напрямок біологізованого землеробства. Відома кореляція між вмістом гумусу і рівноважною щільністю ґрунту (наприклад, за дослідженнями А.С. Кушнарьова). При певному вмісті гумусу рівноважна щільність ґрунту стає близькою до оптимальної. Впливаючи на склад ґрунту (вміст гумусу), змінюємо структуру ґрунту, структура визначає потужність масо- енергообміну, потужність обміну визначає рівень урожаю. Важливо, що гумус виконує структуроутворюючу функцію за рахунок природних процесів і джерел енергії.

Підтвердженням адекватності запропонованої «Системи властивостей», є також двофазний спосіб обробітку ґрунту, розроблений під керівництвом А.М. Малієнка [28, 32]. Зміна структури ґрунту (обмінних характеристик), шляхом механічного обробітку, проводиться в певний період вегетації культурної рослини. Зміна обмінних характеристик ґрунту різним чином впливає на розвиток культурних рослин та бур’янів. За багаторічними даними, такий технологічний прийом суттєво підвищує врожайність культур.

Фізико-механічні та інші властивості ґрунту проявляються у процесі його взаємодії з робочими органами ґрунтообробного знаряддя. Звідси виникає необхідність аналізу явищ і процесів у ґрунті під дією робочих органів.

У ГЛАВІ 3 «ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ҐРУНТІ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ З РОБОЧИМИ ОРГАНАМИ» розглянуті основні фізичні процеси деформування й кришення шару ґрунту.

Найбільш суттєві процеси, що відбуваються при взаємодії робочих органів із ґрунтом, є такі: ущільнення, розущільнення, кришення й структурування, агрегатація, наростоутворення, розпилення й залипання поверхонь.

В.П. Горячкин запропонував наступну модель стружкоутворення й кришення ґрунту: «Вначале клин сминает площадку cbd, а затем образуется трещина df под углом Ψ».

Аналіз процесу кришення ґрунту, у тому числі за результатами досліджень Г.М. Синеокова, показав, що перед клином утворюється множина трапецієподібних елементів стружки, які клином витісняються у бік поверхні поля. Особливістю процесу є те, що кришення ґрунту під дією клина має циклічний характер та проходить дві фази. Перша фаза  пластичні зрушення, і друга фаза  крихковидне руйнування. Енергоємність процесу у цих двох фазах різна, що обумовлено особливістю властивостей ґрунту. Виявлено також утворення двох сімейств поверхонь зсувів у скибі ґрунту під різними кутами.

Проведений нами аналіз дозволив уточнити формулювання процесу відділення стружки ґрунту елементарним клином таким чином (рис. 3 а):

на початку дії клина на шар виникає серія зрушень у нижній частині шару ґрунту, що не сягають поверхні поля, потім утворюється криволінійна тріщина відриву або зрушення, що досягає поверхні поля, одночасно скиба ділиться на шари поверхнями зсувів, спрямованих уздовж й поперечно поверхні поля.

Рис. 3. Моделі деформацій та кришення шару ґрунту:

а – схема розподілу нормальних і дотичних напруг у скибі ґрунту;

б – модель деформування зв'язного ґрунту під дією клина;

в – фізична модель поздовжнього та поперечного розшарування

Як було сказано вище, ґрунт має меншу міцність на розтягання, ніж на стискання. Цю особливість міцності ґрунту можна використати при розущільненні ґрунту різного роду розпушувачами. Однак, для розущільнення, тобто для розширення деякого об’єму моноліту ґрунту неминуче потрібно впровадити в обсяг ґрунту деформатор, що пов'язано з енергоємним процесом стискання. Виникає завдання визначити джерело деформації розтягання й пояснити механізм кришення шару ґрунту при наявності деформації стискання.

При роботі розпушувача ґрунту, в початковій фазі утворюється тіло з ущільненого ґрунту (тіло підвищеного тиску) (рис. 4 а). Ґрунт в межах тіла з ущільненого ґрунту знаходиться у пластичному стані, за межами цього тіла – у крихковидному стані. Цей висновок засновується на власних спостереженнях та положеннях теорії руйнування матеріалів. Відомо, що енергоємність деформації ґрунту у пластичному стані значно перевищує енергоємність деформації ґрунту у крихковидному стані (рис. 4 б).

Тиск q на границі тіла з ущільненого ґрунту розподіляється по гідростатичному закону. Вище розташований шар ґрунту буде навантажений системою сил  спрямованих в радіальних напрямках (рис. 4 а).

Введемо циліндричні координати  (напрямок  співпадає з напрямком руху робочого органу), та виділимо елемент шару ґрунту з вимірами  (рис. 4 в).

Рис. 4. Модель деформування шару ґрунту:

а – схема утворення двох зон деформацій у шарі ґрунту;

б – діаграма деформованого стану ґрунту за В.П. Горячкиним;

в – схема деформування шару ґрунту;

г  епюри тангенціальних σφ (стиску) і радіальних σr (розтягання) напруг

Рівняння рівноваги елемента шару ґрунту буде мати вигляд

Після скорочення диференціалів та перетворення отримаємо

        (6)

Відносна деформація  елементу  дорівнює (рис.5)

    (7)

Точка  в результаті деформації в радіальному напрямку займає положення , а її переміщення  дорівнює

.   (8)

     

а      б   

Рис. 5. Схема до визначення деформації шару ґрунту

Кутова  и радіальна  деформації виражаються через одну і ту саму функцію  і, таким чином, можуть бути зв’язані через рівняння сумісності деформацій. Помноживши залежність (8) на , виконавши диференціювання, та віднявши  , отримаємо

.     (9)

Або в іншому вигляді рівняння сумісності деформацій

.     (10)

Рівняння деформацій для координат

,

,

.

Підставивши залежність для  в перше та друге рівняння системи, отримаємо

(11)

та

    (11')

З урахуванням умови тотожності для рівняння рівноваги (9), а саме

,   ,

залежності (11) і (11') приймуть вигляд

   (12)

Внесемо вирази  і  по формулам (12) в рівняння сумісності деформацій (10), та після скорочень отримаємо

   (13)

Виконавши перетворення та урахувавши граничні умови, отримаємо

,  .  (14)

Розподіл напружень згідно залежності (14) показано на рис. 4 г. Значення напруги розтягання σφ перевершує значення й радіальні напруги стиску σr по всій товщині шару що деформується.

Накладення напруг стискання по одному напрямку на напруги розтягання в перпендикулярному напрямку призводить до деформацій зсувів в шарі ґрунту. Це істотно знижує значення межі деформації руйнування ґрунту. Система ліній зрушень χ й ξ (рис. 4 в), відповідно характеру навантаження шару ґрунту розтяганням у тангенціальних напрямках, буде мати форму логарифмічних спіралей.

Таким чином, особливість механіки деформування шару ґрунту клином складається в перетворенні деформації стиску в локальному, прилеглому до клина, об’ємі ґрунту в деформації розтягання та зсувів у іншому об’ємі ґрунту шару. При цьому проявляються властивості ґрунту, які функціонально не залежать від виміру часу – менша міцність на розтягання ніж на стискання та здатність знаходитись у крихковидному та пластичному станах.

Зовнішня межа Ф2 тіла з ущільненого ґрунту, як посередник, передає навантаження від робочого органу до іншої частини скиби, і таким чином, стає робочою поверхнею для решти обсягу шару ґрунту. Тіло-посередник (ядро) істотно коректує вихідну форму Ф1 робочого органу (рис. 4 а, 6 а). При поділі скиби ґрунту на шари, в процесі його кришення, поверхні розділу шарів Ф3 також виконують функцію робочої поверхні для вище розташованих обсягів ґрунту. Отже, клиновидний робочий орган і шар (скиба) ґрунту утворюють адаптивну систему, причому частина обсягу оброблюваного ґрунту стає змінною частиною робочого органу (рис. 6 б).

    

Як відомо, до адаптивних систем відносяться системи, що змінюють алгоритм свого функціонування та/або свою структуру для досягнення оптимального стану при зміні зовнішніх умов. У даному випадку самоадаптація системи відбувається шляхом зміни структури системи, коли частина оброблюваного шару ґрунту (тіло з ущільненого ґрунту) переходить в пластичний стан, а інша частина зазнає кришення внаслідок крихковидних деформацій.

В загальній теорії систем критерій самоадаптації процесу визначається зміною енергії процесу в одиницю часу. Зміна енергії  процесу в системі записується наступним чином:

,     (15)

де   ККД використання енергії, що потрапляє в систему;

 енергія, що здійснює корисну роботу в системі;

 енергія, яка потрапляє в систему;

 зміна надходження енергії в систему;

 зміна ККД використання енергії, що потрапляє в систему.

Система вважається такою, що еволюціонує, якщо . Це можливо, якщо потік енергії в систему зростає, тобто . Тоді ККД може не змінюватися   випадок «екстенсивного» розвитку системи. У даному випадку потік енергії від джерела енергії постійний, тобто , а самоадаптація системи можлива за рахунок вдосконалення внутрішніх механізмів використання енергії, тобто при зростанні ККД  .

Таким чином, самоадаптація системи відбувається в напрямку підвищення ККД завдяки особливостям фізико-механічних властивостей ґрунту, а саме: здатності ґрунту знаходитися у різних деформованих станах (пластичному та крихковидному) в залежності від виду напруженого стану (відповідно всебічне стискання та зсув з розтяганням). Завдяки цьому утворюється проміжне тіло з ущільненого ґрунту, яке динамічно змінює вихідну форму робочого органу Ф1 і перерозподіляє навантаження на шар ґрунту. Функцію регулятора ККД в системі насамперед виконує проміжне тіло з ущільненого ґрунту.

Еволюція відкритих систем також пов'язана зі співвідношенням основного та сполученого процесів. Енергія, що зазнає дисипацію в основному процесі, використовується для підтримки сполученого процесу (сполученої системи). До сполученої системи необхідно віднести робочий орган і тіло з ущільненого ґрунту. Енергія в сполученій системі витрачається для утворення механізму підвищення ККД основної системи. Зміна ККД відбувається за рахунок перерозподілу напруг і зміни механізму деформації шару ґрунту від пластичного до крихковидного руйнування. При підвищенні ККД втрати енергії в системі зменшуються, а енергія витрачається на подальшу зміну структури основної системи – кришення і розпушення шару ґрунту. З завершенням циклу «зростання тиску на робочій поверхні – спад тиску (в результаті кришення шару ґрунту)» сполучена система деградує і починається наступний цикл.

Згідно з положеннями загальної теорії систем ефективність системи (у даному випадку системи саморегулювання) описується залежністю

f = EС/m = C EС/(n2n) ,        (16)

де  С – константа, що характеризує вірогідність утворення асоциатів групи;

n – загальна кількість елементів; EС – зв’язана енергія.

Наприклад, в плузі зі регульованою формою полиць загальна кількість елементів системи n досягає 22, в той час в контурі саморегулювання кількість елементів n становить 4 (рис. 7).

Для кількісної оцінки ефективності системи саморегулювання знайдемо співвідношення значень по залежності (16) для систем саморегулювання і регулювання

.

Отримане значення вважаємо орієнтовним, але оскільки частина ґрунту скиби у системі саморегулювання виконує функцію безлічі елементів технічної системи регулювання, тобто загальна кількість елементів у системі саморегулювання мінімально можлива, ефективність такої системи максимальна.

Рис. 7. Структурна схема процесу саморегулювання форми робочого органу

Таким чином, визначено механізм реалізації першої тези робочої гіпотези: «…знайти механіку змінності форми за часом, динаміку форми». В процесі кришеня ґрунту клином проміжне тіло з ущільненого ґрунту виконує функцію динамічно змінної частини робочого органу та регулятора ККД системи. Одночасно знайшла відображення друга теза робочої гіпотези стосовно відображення в формі робочого органу стабільних в часі фізико-механічних параметрів стану ґрунту.

У ГЛАВІ 4 «КЛАСИФІКАЦІЯ ЗНАРЯДЬ І ФОРМ РОБОЧИХ ПОВЕРХОНЬ РОЗПУШУВАЧІВ ҐРУНТУ» на базі фізико-механічних та системних закономірностей, що встановлені і викладені в попередній главі, встановлено принципи і виконана класифікація робочих органів ґрунтообробних знарядь на основі аналізу відмінності механіки їхньої взаємодії із ґрунтом.

Історично першими знаряддями для обробітку ґрунту були долотоподібні знаряддя типу «соха», що пояснюється їх найменшим тяговим опором. З ростом енергонасиченості виробництва долотоподібні знаряддя трансформувалися у долото-полицеві. Першими знаряддями цього класу були «косуля» або «сабан» – знаряддя конструктивно виконані як долото, оснащене полицею у вигляді косо поставленої дошки. Зміна агровимог і підвищення енергонасиченості виробництва призвели до переходу від долото-полицевих знарядь до лемішно-полицевих.

Підвищення вимог до енергозбереження призвело до того, що подальше вдосконалювання полицевих знарядь проходило по шляху створення долото-полицевих розпушувачів вже на новому технічному рівні. Особливістю частини таких знарядь є те, що польовий обріз повторює дугоподібну форму профілю поверхні тріщин зсувів шару ґрунту під дією долота. Це реалізовано, наприклад, у ромбовидному корпусі фірми HUARD - ucf (Франція), знаряддях «ПРУН - «Вікінг»», «ПБС» конструкції В.М. Бойкова. Різновид долото-полицевих знарядь, з рознесеними у просторі долотом і полицею, розвивається дослідженнями І.Б. Борисенко.

Знаряддя з робочими органами різних типів відрізняються споживанням енергії, що пояснюється різним механізмом їх взаємодії з ґрунтом, у тому числі різною долею енергоміских пластичних деформацій, які виникають при проникненні ріжучої крайки в ґрунт. Ця доля максимальна для ножеподібних знарядь типу плоскоріз із довжиною ріжучої крайки близької до ширини захвату робочого органа. Крім того, градієнт напруг, створюваних у ґрунті ножеподібним знаряддям, недостатній для якісного кришення ґрунту. Стискання ґрунту долотом в поздовжньому напрямку перетворюється в розтягання шару в поперечних напрямках, що супроводжується інтенсивним кришеням ґрунту й зниженням енерговитрат (див. рис. 4 а, 5 а).

Узагальнено, ефективність робочих органів різних типів може бути  також оцінена співвідношенням вертикальної Rz і горизонтальної Rx складової сили опору різанню  m = Rz/Rx = tgψ, де tgψ – тангенс кута нахилу рівнодіючої сили опору різанню (рис. 8).

Рис. 8. Схема відносної ефективності робочих органів різного типу

Розходження оцінки співвідношення RZ/RX для теоретичного клина по загальновизнаній моделі (без урахування сили опору впровадженню леза) й реальних даних пояснюється значною часткою енергоємних пластичних деформацій при впровадженні леза клина в ґрунт.

До теоретичного клина за значенням співвідношення RZ/RX наближаються долотоподібні розпушувачі.

В результаті проведеного аналізу, ґрунтообробні знаряддя по різниці в механіці взаємодії із ґрунтом розділені на три основні класи

(рис. 9):

  •  долотоподібні;
  •  ножеподібні (лемішні);
  •  долото-полицеві.

Значний розділ у главі 4 присвячений фізичному аспекту класифікації форм робочих поверхонь розпушувачів.

Відома велика кількість різноманітних форм поверхонь, використовуваних у знаряддях для обробітку ґрунту. Для вирішення задачі систематизації необхідно було з'ясувати:

  •  чим пояснюється подібність фізичної дії різних форм поверхонь знарядь для обробітку ґрунту;
  •  як зв'язані між собою безліч різноманітних форм поверхонь.

Рис. 9. Класифікація робочих органів розпушувачів ґрунту

При цьому ми виходимо з наступного положення: між множиною форм повинен існувати деякий зв'язок, тобто частина, пов'язана з іншою частиною, якщо вони є частинами цілого або може бути отримана з іншої частини деяким перетворенням. Таким чином, якщо маємо деяку відому геометричну форму, та певним геометричним перетворенням можемо отримати іншу форму, то при цьому повинні зберігатися фізичні закономірності деформації ґрунту цими формами.

Розглянемо причинно-наслідковий зв'язок процесу кришення ґрунту і форми робочого органу. Процес кришення, як процес порушення цілісності матеріалу, є функція градієнта деформації ε в обсязі цього матеріалу

Кґрунту = f (grad(ε)).

У механіку суцільного середовища під деформацією розуміють відношення поточної конфігурації тіла в момент t до відлікової конфігурації. Якщо розглядати рух шару ґрунту уздовж робочої поверхні, то відліковою конфігурацією буде будь-яка конфігурація, що передує у напрямку руху шару.

З деяким наближенням будемо вважати, що в результаті процесу деформації ґрунту поточна конфігурація й відлікова конфігурація рівняються й актуальна деформація стає відліковою для наступного положення шару ґрунту.

При цьому початкова форма контактної поверхні шару ґрунту формується на передній ділянці поверхні робочого органу й може бути описана кривизною

.      

При подальшому русі ґрунту по робочій поверхні контактна поверхня ґрунту взаємодіє з наступною ділянкою робочої поверхні, причому

.     (17)

Деформація шару ґрунту відбувається як наслідок динамічного "порівняння" вхідної форми контактної поверхні шару ґрунту kП і поточної форми поверхні клина kР. У процесі такого "порівняння" відбувається відображення контактною поверхнею шару ґрунту форми робочої поверхні клина. У результаті такої взаємодії відбувається перетворення локального стиску ґрунту на робочій поверхні клина в розтягання об’єму шару ґрунту.

У загальному вигляді відповідний принцип утворення форми робочої поверхні (формогенний принцип) може бути записаний таким чином

,     (18)

де  ,   радіуси кривизни в повздовжньому і поперечному напрямках;

,    відповідно початкова та поточна координати вздовж лінії руху ґрунту по робочій поверхні.

Найбільш загальною формою, відповідною залежностям (17) і (18), буде поверхня S-подібного поздовжнього профілю й ввігнуто-опуклого поперечного профілю (рис. 10). Сукупність форм, що відповідає викладеному вище формогенному принципу, займає зону між 1–6 стовпчиками та 1–8 рядками періодичної таблиці форм (рис. 11).

Рис. 10. Теоретична форма поверхні S-подібного поздовжнього профілю й ввігнуто-опуклого поперечного профілю й ілюстрація поділу загальної форми на фізично подібні форми:

kРвхі   вхідна кривизна робочої поверхні (передній обріз);

 kРкін – кінцева кривизна робочої поверхні (задній обріз)

Форми робочих поверхонь конкретних знарядь можуть бути частинами, наприклад 1, 2 і 3, загальної форми поверхні (див. рис. 10), і відповідно займати осередки 3-2, 6-6 і 7-6 періодичної таблиці форм (рис. 11).

Залежно від агротехнічних умов і інших вимог форма поперечного профілю переднього обріза робочої поверхні може бути ввігнутою, плоскою або опуклою. При цьому від переднього до заднього обрізу може зменшуватися кривизна поперечного профілю, або поздовжнього профілю, або одночасно обох профілів робочої поверхні. Робоча поверхня, кривизна якої зменшується по напрямку руху шару ґрунту, створює і підтримує градієнт напруг у ґрунті, і відповідає динаміці процесу кришення ґрунту.

Таким чином, у розробленій нами раніше на геометричних підставах періодичній системі форм робочих поверхонь, виділено два класи форм по розходженню у фізиці процесу їхньої взаємодії із ґрунтом.

Зіставлення форм із осередків періодичної таблиці й форм робочих поверхонь відомих знарядь показало, що практично всі вони виконані по формах, які знаходяться в зоні між 1–6 стовпцями й 1–8 рядками періодичної таблиці (див. рис. 11). Це підтверджує, що робочі поверхні, утворені по сформульованому формогенному принципу, відповідають механізму кришення й властивостям ґрунту. Приклади зіставлення форм із осередків «Періодичної таблиці» і форм реальних знарядь наведені в таблиці 2.

Рис. 11. Фрагмент періодичної таблиці форм робочих поверхонь, що відповідають формогенному принципу

Таблиця 2

Таблиця 2 (продовження)

П'ята глава «РЕАЛІЗАЦІЯ, АГРОТЕХНІЧНА, ЕНЕРГЕТИЧНА Й ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ».

На початку глави даються загальні положення методики проектування робочих органів розпушувачів з урахуванням агротехнічних вимог.

Розроблені методика та теоретичні положення, використані при проектуванні ґрунтообробних робочих органів комплексу ґрунтозахисних знарядь, що випускаються серійно, а також перспективних знарядь.

Сучасна технологія проектування й конструювання знарядь передбачає застосування комп'ютерної техніки, що реалізовано в нашому дослідженні. Результати розрахунків із застосуванням ЕОМ використані при проектуванні розпушуючих робочих органів і виготовленні оснащення для виробництва на дослідних заводах ГСКБ «Одесаґрунтомаш», «ВИСХОМ» та інших. Деякі аспекти моделювання форм робочих поверхонь показані на прикладі комп'ютерного моделювання робочого органу з дуговидним стояком і ножем симетричного типу для плугів-розпушувачів серії ПРНС (рис. 12).

В якості прикладу розглянемо проектування та експериментальне дослідження робочого органу для глибокого розпушення міжрядь просапних культур. Дослідження виконані разом з к.т.н. П.О. Кутею. 

Важливі обмеження, що накладаються агротехнічними вимогами на роботу таких знарядь  відсутність виносу на поверхню поля ґрунту із нижніх шарів, обмеження ширини зони розпушення В при заданій максимальній глибині обробітку Hмакс, та ступінь кришення ґрунту.

Конструктивно робочі органи складаються зі стояка й розпушуючого елемента.

а

б

в

Рис. 12. Комп'ютерні моделі робочих поверхонь (а, б) та вигляд планки долота (в) робочого органа ПРНС 31.000 для плугів-розпушувачів

За умовами задоволення агротехнічними вимогам, спроектований стояк робочого органу криволінійної форми (рис. 13 б). Така форма обумовлена залежністю орієнтації ділянок форми передньої крайки стояка робочого органу та умови руху часток ґрунту (ущільнення) в стінки щілини на різній глибині hi .  

Кут нахилу до горизонталі передньої крайки стояка робочого органу в кожній її точці визначався залежністю

αi = αo + k hi,

де αo – кут нахилу до горизонталі передньої крайки стояка у верхній точці робочої частини стояка;

k – коефіцієнт пропорційності, що дорівнює k = (αн - αo) / HР;

HР – висота робочої частини стояка (орієнтовно дорівнює максимальній глибині розпушування ґрунту Hmax);

hi  значення висоти i-тої точки передньої крайки профілю стояка щодо верхньої точки його робочої частини.

Наступний етап – проектування розпушуючого елемента. Істотним параметром розпушуючого елемента, що визначає механіку процесу взаємодії із ґрунтом, є відносна робоча ширина розпушуючого елемента b.

б      в

Рис. 13. Схема робочого органу для розпушення міжрядь просапних культур:

а – осередок 1-4 періодичної таблиці форм робочих поверхонь;

б – вид збоку на робочий орган;

в  поперечний перетин шару ґрунту, де В – ширина розпушеної смуги ґрунту

Як було визначено теоретично, меншу енергоємність процесу і краще кришення ґрунту забезпечують долотоподібні знаряддя.

У загальному випадку для долотоподібних знарядь:

b = (0,15÷0,25) Hмакс, де Hмакс – максимальна глибина обробітку ґрунту.

Специфікою робочого процесу долотоподібних знарядь є наявність так званої критичної глибини hкр. Нижче такої глибини замість розпушення (стружкоутворення) спостерігається утворення щілини з ущільненням ґрунту в стінки борозни й підвищенням енерговитрат. Чисельне значення критичної глибини hкр визначається властивостями ґрунту, значенням параметрів його стану й параметрами робочого органу, зокрема значенням робочої ширини b. Стандартна долотоподібна лапа, що використовується для глибокого розпушення міжрядь просапних культур, переходить у режим роботи на критичній глибині при робочій глибині більш ніж 12-15 см, що недостатньо за агротехнічними умовами. Для нового робочого органу мінімально необхідну ширину визначена рівною 50 мм.

Забезпечення необхідної якості кришення ґрунту можливе при застосуванні форм, що відповідають формогенному принципу. Як база проектування використані форми з періодичної таблиці форм (див. рис. 11). Для забезпечення необхідної за агротехнічними вимогами величини захисної зони рядка цукрових буряків необхідна мінімізація ширини зони B розпушення ґрунту при максимальній глибині розпушення до Н = 20 см. Можливість мінімізації ширини зони розпушення B пов'язана з обмеженням зони поширення деформацій на початковому етапі проникнення деформатора в шар ґрунту, тобто під дією передньої частини робочої поверхні. Поставлена умова задовольняється при ввігнутій формі переднього обрізу поверхні та куті ω охоплення шару ґрунту на передній ділянці робочої поверхні рівному .

Відповідно до формогенного принципу форма поперечного перерізу робочої поверхні від ввігнутої на передньому обрізі змінюється зі зменшенням кривизни до менш увігнутої, прямолінійної або опуклої (на задньому обрізі). У періодичній таблиці форм даній закономірності відповідають форми в осередках від 1-1 до 4-6 (див. рис. 11). Виходячи з додаткових даних, форма заднього обрізу робочої поверхні була отримана у вигляді опуклої. Ці дані, при прямолінійному поздовжньому профілю, призводять до вибору форми з осередка 1-4. Більш ефективною в роботі буде поверхня з осередка 1-1, форма поперечного і поздовжнього перетинів якої змінюється від ввігнутої до опуклої.

Сукупність форм і технічних рішень, викладених вище, реалізована в технічному рішенні захищеному патентом України № 295 [31]. Партія нових робочих органів для розпушення міжрядь просапних культур була виготовлена та пройшла порівняльні експериментальні дослідження в складі культиватора УКРП-5,4 на полях Рівненської області.

Отримані експериментальні дані свідчать, що умовам міжрядкового розпушення з обмеженням ширини смуги розпушеного ґрунту В (що досягається обмеженням кута бічного сколювання ґрунту θ), та необхідністю збільшення об'єму розпушеного ґрунту, відповідає робочий орган якраз при ввігнутій формі переднього обрізу робочої поверхні (рис. 14).

Експерименти підтвердили, що параметри та форма стандартної долотоподібної лапи спричиняють щілиноутворення у ґрунті при роботі глибше ніж 12-15 см, тобто об'єм розпушеного ґрунту не зростає при рості енерговитрат. Значення критичної глибини  нового робочого органу значно більше значення критичної глибини  стандартної долотоподібної лапи культиватора УСМК (рис. 15).

Отримані дані свідчать про високу якість виконання технологічного процесу новими робочими органами. Встановлено, що площа поперечного перетину зони деформації ґрунту новими робочими органами перевищує в 1,7 рази цей показник для серійного культиватора УСМК-5,4У, при кращій якості кришення шару та утворенням до 52,3% агротехнічно корисних часток розміром до 10 мм, замість 33,7% у базовому варіанті, з одночасним зменшенням в 1,9 рази долі грудок розміром більш ніж 50 мм.

Новий робочий орган забезпечує утворення зони розпушення більшого розміру, а саме площею 342,5 см2, порівняно з показником 194,4 см2 у серійного культиватора. Цей факт у сукупності зі значно кращою якістю кришення ґрунту призвів до суттєвого підвищення врожайності цукрових буряків на ділянках, де працював культиватор з новими робочими органами, а саме – 47,3 т/га (НСР0,05 – 2,39 т/га, значення критерію Фішера Fф = 15,44).

Рис. 14. Експериментальні залежності впливу форми переднього обрізу робочої поверхні на значення площі поперечного перетину S розпушеного шару ґрунту (а); кута θ бічного сколювання ґрунту (б) у залежності від глибини рихлення H

а

     б

Рис. 15. Вигляд поперечного перетину розпушеного шару ґрунту в залежності від типу робочого органу та глибини розпушення H:

а – глибини розпушення H = 10 см; б  глибини розпушення H = 20 см;

1 – базовий робочий орган культиватора УСМК-5,4У;

2 - новий робочий орган на культиваторі УКРП-5,4;

 критична глибина роботи базового робочого органу культиватора УСМК;

 критична глибина роботи нового робочого органу культиватора УКРП

Результати теоретичних та експериментальних досліджень систематично передавались до ГСКБ «Одесаґрунтомаш» (у наступному ГСКБ «Ґрунтомаш»), ВКФ «Велес-Агро», НВФ «Наука», та інші установи. Деякі серійні знаряддя, що розроблені з використанням результатів наших досліджень, показані на рис. 16.

    

а       б

 в       г

Рис. 16. Знаряддя, що спроектовані із використанням результатів дисертаційного дослідження:

а  чизельний агрегат АЧН-3 виробництва ВАТ «Галещина машзавод»;

б  глибокорозпушувач комбінований ГРК-2,3/3,8Р (чизельна модифікація) розробки «ВИМ», виробництва ВАТ «ВДА»; в  чизельний агрегат АЧП-4,5 виробництва ВАТ «Кам’янець-Подільсксільмаш»;

г  плуг П-5-35/50 з робочим органом РГ 01.000, виробництва НВФ «Наука»

Економічна ефективність нових знарядь отримана за рахунок підвищення продуктивності, зниження витрат пального та за рахунок зниження експлуатаційних витрат. Так, наприклад, річний економічний ефект від застосування агрегату чизельного АЧП-4,5, оснащеного новими робочими органами, становить на одну машину 49509 грн. (у цінах 2009 року). Річний економічний ефект від експлуатації одного плуга П-5-35/50 з робочими органами РГ 01.000 становить 20080 грн.


ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення проблеми проектування робочих органів розпушувачів на базі властивостей ґрунту. Науковою проблемою є встановлення відповідності між геометрично стабільною формою робочого органа й фізичним динамічним процесом перетворення орного шару ґрунту, в якому саме проявляються властивості ґрунту. Встановлено, що в процесі взаємодії робочий орган і ґрунт утворюють систему, що самоадаптується, причому частина ґрунту шару виконує функцію частини робочого органу, що динамічно змінюється. Робочі поверхні, з кривизною, що зменшується по ходу шару ґрунту, також мають властивості поверхонь, що динамічно адаптуються. Отримані теоретичні результати використані при розробці розпушувачів ґрунту.

Виконані теоретичні й експериментальні дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки та пропозиції:

  1.  Аналіз способів та технічних засобів, що застосовуються для розпушування ґрунту, показав, що в даний час механічне рихлення і відповідні технічні засоби, не дивлячись на притаманні їм недоліки, як і раніше є основними способом та засобами обробітку ґрунту. Форма поверхні робочих органів розпушувачів застосовується, як правило, плоска, що обмежує можливість удосконалення її параметрів. Накопичено значний обсяг наукових знань, але закінченої теоретичної картини взаємодії робочого органу з ґрунтом, яку можна покласти в основу проектування нових робочих органів, досі не отримано.
  2.  Властивості ґрунту утворюють ієрархічну систему і розташовуються таким чином: базові фізико-механічні властивості властивості утворювати структуру й розущільнюватися обмінні властивості властивість родючості. Якісним властивостям ґрунту відповідають кількісні параметри стану ґрунту, які змінюють своє значення під дією зовнішніх і внутрішніх факторів. Механічний обробіток ґрунту змінює кількісне значення параметрів стану ґрунту і, таким чином, це один із засобів керування станом ґрунту.

Оцінку якості роботи і енерговитрат ґрунтообробних знарядь необхідно проводити не тільки на основі показників, котрі займають нижче місце в ієрархії системи властивостей ґрунту (наприклад, ступень кришення ґрунту, зміна щільності, твердості, вологості), а також на основі параметрів, які безпосередньо визначають врожайність, тобто показників енерго- і масообміну.

Зниження витрат ресурсів на обробіток ґрунту можливо за рахунок використання особливостей міцнісних та деформаційних властивостей ґрунту, та зменшення долі техногенних енергії і речовини, в процесі обробітку ґрунту, за рахунок природних енергії і речовини.

  1.  Встановлено, що при взаємодії клиноподібного робочого органа й ґрунту виникає дві зони деформацій – зона пластичної деформації, що перерозподіляє навантаження стискання і викликає деформації розтягання зі зрушеннями в іншому обсязі шару, наслідком чого є кришення ґрунту. При цьому мають прояв відносно стабільні в часі особливості фізико-механічних властивостей ґрунту – здатність перебувати в крихковидному та пластичному станах залежно від виду напружено-деформованого стану, а також різниця міцності ґрунту на розтягання й стискання, у результаті чого зменшується енергоємність процесу кришення ґрунту.
  2.  Протиріччя між динамічним станом ґрунту й стабільністю в часі геометричної форми робочого органа розпушувача усувається тим, що в процесі взаємодії робочий орган і ґрунт утворять систему, у якій, завдяки особливостям міцнісних і деформаційних властивостей ґрунту, процесам кришення, утворення локальної зони ущільненого ґрунту й інших явищ, відбувається самоадаптація системи "джерело енергії – робочий орган – ґрунт" і саморегулювання форми робочої поверхні розпушувача.

Саморегулювання форми робочого органа в системі «джерело енергії  робочий орган – ґрунт» відбувається внаслідок того, що частина обсягу оброблюваного ґрунту виконує функцію частини робочого органа, що динамічно змінюється.

  1.  Процес кришення ґрунту в системі «джерело енергії – робочий орган – ґрунт» можливо описати таким чином: підведення енергії до обсягу ґрунту за допомогою робочого органу  розсіювання енергії в шарі ґрунту (основної системи) і утворення посередника у вигляді проміжного тіла з ущільненого ґрунту (спряженої системи)  перерозподіл сил та напружень у шарі ґрунту за рахунок дії проміжного тіла, підвищення ККД системи  структурування (кришення і розпушення) шару ґрунту (зміна структури основної системи)  спад тиску на робочій поверхні, розпад проміжного тіла (згасання спряженої системи) і початок нового циклу.
  2.  При взаємодії долотоподібних розпушувачів і ґрунту, кришення скиби відбувається в основному завдяки деформаціям розтягання зі зсувами. Ножеподібні (лемішні) знаряддя навантажують шар ґрунту з меншим градієнтом деформацій і з більшою часткою енергоємних деформацій стискання та пластичних деформацій.

За цими відмінностями робочі органи знарядь розділені на три класи: долотоподібні; ножеподібні (лемішні); долото-полицеві.

  1.  Встановлено, що процес перетворення деформації локального стиску ґрунту в деформацію розтягання зі зсувами в об’ємі скиби ґрунту забезпечують знаряддя з робочою поверхнею, кривизна якої зменшується за напрямком руху скиби ґрунту. Сформульовано формогенний принцип утворення робочих поверхонь менш енерговитратних розпушувачів ґрунту, а саме: для кришення ґрунту з максимальним використанням різнобічно направлених деформацій і деформацій зсувів з розтяганням, кривизна робочої поверхні повинна зменшуватися за напрямком руху скиби. Залежно від агротехнічних умов форма поперечного профілю переднього обріза робочої поверхні може бути ввігнутою, плоскою або опуклою. При цьому може зменшуватися кривизна або поперечного профілю, або поздовжнього профілю, або одночасно обох профілів робочої поверхні.

У сукупності форм таблиці періодичної системи геометричних форм поверхонь розпушувачів виділена сукупність форм відповідних формогеному принципу. Таким чином, геометричні форми поверхонь розділені на класи за різницею у фізичних властивостях.

  1.  При проектуванні розпушувачів ґрунту для забезпечення менших енерговитрат і необхідної якості кришення раціонально використовувати наступні параметри робочих органів: робочий орган конструктивно або функціонально має будуватися на основі долота; ширина долота при максимальній глибіні обробітку до 45 см має становити 50÷80 мм, висота підйому 50÷110мм;  при ввігнутій формі поздовжнього профілю кут входження поверхні має бути мінімальним і становити 5÷15о, і до 25÷30о при прямолінійній формі поздовжнього профілю; при ввігнутій формі поперечного профілю кут охоплення шару ґрунту на передній ділянці робочої поверхні не менше ;  форма робочої поверхні має відповідати формам в осередках між 1–6 стовпцями й 1–8 рядками запропонованої періодичної таблиці форм робочих поверхонь, що відповідають формогенному принципу.
  2.  Обґрунтовані принципи проектування, утворення форми та параметри робочих поверхонь, реалізовані в робочих органах семи моделей розпушувачів, показали високу ефективність при випробуваннях у різних зонах і випускалися серійно, а саме:

 робочий орган чизельних знарядь АЧН-3, ГРК-2,3/3,8Р і АЧП-4,5;

 розпушуючий робочий орган плугів ПКН-4-43 і ПКН-6-43;

 стояк, ніж та долото робочого органу РГ 01.000 для плугів-розпушувачів;

 новий робочий орган для міжрядного розпушування просапних культур культиватора УКРП-5,4.

  1.  Польові дослідження, заводські й державні випробування показали високу агротехнічну й енергетичну ефективність нових моделей розпушувачів. Економічний ефект нових розпушувачів отриманий завдяки підвищенню продуктивності, зниженню витрат пального і зниженню експлуатаційних витрат. Так, очікуваний річний економічний ефект від застосування нових знарядь становить на програму випуску – 190,7 млн. грн. (у цінах 2009 р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

  1.  Тягово-приводные комбинированные почвообрабатывающие машины: Теория, расчет, результаты испытаний: монография / В.И. Ветохин, И.М. Панов, В.А. Шмонин, В.А. Юзбашев.  К.: Фенікс, 2009. – 264 с. (особистий внесок  збір, аналіз, узагальнення матеріалу, загальна редакція монографії, написав 1, 4, 7, 8 глави).
  2.  Панов И.М. Физические основы механики почв: монография / И.М. Панов, В.И. Ветохин. – К.: Фенікс, 2008.   266 с. (особистий внесок  збір, аналіз, узагальнення матеріалу, загальна редакція монографії, написав 4, 5 глави, заключні висновки).
  3.  Ветохін В.І. Проектування та результати випробувань робочого органу для глибокого розпушення міжрядь цукрових буряків / В.І. Ветохін, П.О. Кутя // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосп. машин: Загальнодержавний міжвідомчий наук.-техніч. зб. – Кіровоград, 2009.  Вип. 39. – С. 423-433. (особистий внесок  розробка теоретичних моделей, методики проектування робочих органів)
  4.  Ветохин В.И. Систематизация свойств почвы как основа проектирования почвообрабатывающих орудий и технологий / В.И. Ветохин // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Зб. наукових праць. – Дослідницьке: УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого, 2009.  Вип. 13(27); Кн.2,  С. 30-38.
  5.  Юрчук В.П. До питання обґрунтування форми профілю знаряддя для смугового основного обробітку ґрунту / В.П. Юрчук, В.І. Ветохін // Прикладна геометрія та інженерна графіка: Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. – Мелітополь: ТДАТУ, 2009.  Вип. 4; Т. 44 . – С. 3-8. (особистий внесок  модель взаємодії робочого органу з ґрунтом).
  6.  Ветохин В.И. Анализ системы «свойств и состояний почвы» применительно к экологическому аспекту оценки почвообрабатывающих орудий и технологий / Экология и сельскохозяйственная техника. Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин: Матер.  Междунар. науч.-практ. конф.  СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2009.  Т 1.  С. 59-63.
  7.  Ветохін В.І. Фізичні аспекти прояву зворотного зв’язку та авторегулювання форми знаряддя в системі «знаряддя-ґрунт» / В.І. Ветохін // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. праць Кіровоградського національного технічного університету. – Кіровоград, 2009.  Вип. 22. – С.119-124.
  8.  Ветохин В.И. К вопросу систематизации рабочих органов для рыхления почвы на основе физики процесса / В.И. Ветохин // Вавиловские чтения – 2008: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саратов: ИЦ «Наука», 2008.  С. 227-232.
  9.  Ветохин В.И. Систематизация рабочих органов для рыхления почвы на основе физики процесса / В.И. Ветохин // Техніка АПК. – 2008.  № 9-10.  С. 21-25.
  10.  Ветохин В.И. К вопросу систематизации пассивных рабочих органов для рыхления почвы на основе физики процесса / В.И. Ветохин // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць. – Дослідницьке: УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого, 2008.  Вип.11(25). С.113-122.
  11.  Ветохін В.І. Проектування глибокорозпушувачів з урахуванням деяких аспектів деформування ґрунту / В.І. Ветохін // Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. праць Кіровоградського національного технічного університету. – Кіровоград, 2008.  Вип. 20. – С. 104-109.
  12.  Ветохин В.И. Земледельческая механика В.П. Горячкина – современное состояние и перспективы развития / В.И. Ветохин, И.М. Панов // Техніка АПК. – 2008.–№ 2.  С.40-41, закінчення № 3-4, 2008, С.48-51. (особистий внесок  збір, аналіз, узагальнення матеріалу, загальна редакція статті, висновки).
  13.  Ветохин В.И. Анализ понятий «свойство» и «состояние» почвы применительно к вопросу проектирования почвообрабатывающих орудий / В.И. Ветохин // Вавиловские чтения - 2007: Материалы конференции. – Саратов: Научная книга, 2007,  С. 217-219.
  14.  Ветохин В.И. Анализ некоторых аспектов деформации почвы применительно к проектированию энергосберегающих орудий для глубокого рыхления почвы / В.И. Ветохин // Научно-технический прогресс в с.-х. производстве: сб. ст. Международ. науч.-практич. конф. к 60-лет. образов. ИМСХ АН БССР, Минск, 17-19 окт. 2007 г. В 3 т.  Минск: РУП «НПЦ БелНИИМСХ», 2007.  Т.1.  С. 128-133.
  15.  Vetochin V.I. Periodic table of shapes of the surface for soil tillage tools / V.IVetochin // Proceedings of TEN International Conference on Geometry and Graphics (ICGG), In 3 Vol.  Ukraine, Kyiv:  2002.  Vol. 3.  P. 49-52.
  16.  Ветохін В.І. Визначення деяких параметрів криволінійного ґрунтообробного клина / В.І. Ветохін, В.П. Юрчук, П.М. Яблонський // Прикладна геометрія та інженерна графіка: Праці. Таврійська державна агротехніч. ак. – Мелітополь: ТДАТА, 2002. – Вип.4,  Т.16. – С.64-68. (особистий внесок  розрахункова модель деформації скиби ґрунту).
  17.  Кравчук В.І. Методика конструювання технологічної дії ґрунтообробної техніки в залежності від умов точного землеробства / В.І. Кравчук, В.І. Ветохін, М.З. Зелінський, Р.Б. Кудринецкий // Механізація сільськогосподарського виробництва: Збірник наукових праць Національного аграрного університету. – К.: НАУ, 2002.Т.11.  С.231-238. (особистий внесок  теоретична модель та проектування лапи чизельного глибокорозпушувача).
  18.  Ветохин В.И. Применение системы поверхностей с переменной кривизной при создании серии рабочих органов / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины.  1994.  № 4.  С. 26-28.
  19.  Ветохин В.И. Проектирование рыхлителей почвы на основе метода отображения рациональной деформации пласта / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины. 1994.  № 1.  С. 21-24.
  20.  Ветохин В.И. Проектирование поперечного профиля стойки и ножа плуга-розпушувача / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины.  1993.  № 11,  С. 19-20.
  21.  Ветохин В.И. Метод проектирования безотвальных рабочих органов / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины.  1993.  № 9. С. 17-19.
  22.  Ветохин В.И. Малоэнергоемкие рыхлители почвы: экспериментальная оценка рационального профиля / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины,  1993.  № 7.  С. 15-17.
  23.  Ветохин В.И. Малоэнергоемкие рыхлители почвы: форма продольного профиля / В.И. Ветохин // Тракторы и с.-х. машины, 1993.  № 6.  С.14-16.
  24.  Ветохин В.И. Обоснование формы и результаты сравнительных испытаний рабочих органов чизельного плуга / В.И. Ветохин // Сельскохозяйственные машины и орудия: Экспресс инф. – М:. ЦНИИТЭИавтосельхозмаш.  1992.  Сер.2.  Вып. 10-11. 10 с.
  25.  Ветохин В.И. Экспериментальное исследование деформации почвы на рабочей поверхности рыхлительных элементов с переменной по ходу пласта формой поперечного профиля / В.И. Ветохин // Сельскохозяйственные машины и орудия: Экспресс инф. – М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш.  1992.  Сер. 2. Вып. 6-7. С. 1-8.
  26.  Ветохин В.И. Проектирование форм рабочих поверхностей рыхлителей почвы на основе принципа отображения рациональных деформаций пласта / В.И. Ветохин // Научно-технические достижения и передовой опыт в обл. сельскохоз. и тракторного маш-я: Инф. сб. – М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш. 1992.  Вып. 2-3.  С. 9-22.
  27.  Ветохин В.И. Периодическая система форм поверхностей почвообрабатывающих рабочих органов / В.И. Ветохин // Научно-технические достижения и передовой опыт в области с.-х. и тракторного маш-я: Инф. сб. – М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш.  1992.  Вып. 2-3.  С. 22-27.
  28.  Патент 10986 Україна, МКВ А 01 В 79/02. Спосіб обробітку ґрунту при вирощуванні просапних культур / А.М. Малієнко, В.І. Ветохін, І.М.Голодний.  № 93010061; заявл. 11.12.92; опубл. 25.12.96, Бюл. №4. (особистий внесок – аналіз патентної бази, виявлення відмінностей нового способу від існуючих, розробка формули винаходу).
  29.  Патент 5908 Україна, МКИ А 01 В 15/00. Розрихлюючий робочий орган / В.І. Ветохін, Ю.А. Кузнецов, Р.Б. Іорданський, М.А. Оралов, В.І. Ройтберг, П.А. Буднік.  № 4344152/SU; заявл. 16.12.87; опубл. 29.12.95. Бюл. № 8-1. (особистий внесок  теоретична розробка форми пристрою, аналіз патентної бази, розробка формули винаходу).
  30.  Патент 2695 Україна, МКИ А 01 В 34/20. Лапа розрихлювача ґрунту / І.М. Панов., В.І. Ветохін, Ю.А. Кузнєцов, О.М. Столяров, Г.П. Кузьмін, Р.Б. Іорданський, О.В. Ветохіна, М.А. Оралов.  № 4205028/SU; заявл. 06.03.87; опубл. 26.12.94, Бюл. № 5. (особистий внесок – теоретична розробка форми пристрою, аналіз патентної бази, розробка формули винаходу).
  31.  Патент 295 Україна, МКВ А 01 В 39/00, А 01 В 3/00, А 01 В 49/04. Робочий орган ґрунтообробного знаряддя / В.І. Ветохін, Б.П. Федчук, В.С. Глуховський, П.О. Кутя.  № 5016762/SU; заявл. 18.12.91; опубл. 30.04.93, Бюл. № 1. (особистий внесок  теоретична розробка форми пристрою, аналіз патентної бази, розробка формули винаходу).
  32.  Патент 2044433 Российская Федерация, МКИ А 01 В 79/00, 79/02. Способ обработки почвы при возделывании пропашных культур / А.М. Малиенко, В.И. Ветохин, И.М. Голодный.  № 93009904/15; заявл. 19.02.93; опубл. 27.09.95, Бюл. 27. (особистий внесок  аналіз патентної бази, виявлення відмінностей нового способу від існуючих, розробка формули винаходу).
  33.  Патент 2013900 Российская Федерация, МКИ А 01 В 13/00, 15/00. Способ определения формы профиля рабочей поверхности рыхлителей почвы / В.И. Ветохин.  № 93001983/15; заявл. 12.01.93; Опубл. 15.06.94, Бюл. 11.
  34.  Патент 1786989 SU, МКИ А 01 В 23/00, 21/02. Ротационный рабочий орган почвообрабатывающего орудия / С.П. Погребняк, В.И. Корабельский, Л.В. Сиренко, В.И. Ветохин, Ю.М. Шматков, М.Г. Галузинский.  № 4939451/15; заявл. 28.05.91; опубл. 07.01.93, Бюл. № 1. (особистий внесок – теоретична розробка форми пристрою, аналіз патентної бази, розробка формули винаходу).
  35.  Ветохин В.И. Систематизация свойств и характеристик почвы как элемент теории проектирования рыхлителей [Електронний ресурс] / В.И. Ветохин // Новітні техніко-технологічні рішення обробітку ґрунту і посіву основних сільськогосп. культур: Матер. интернет-конф. у рамках V Міжнар. форуму ІНТЕРАГРО-2009. – Київ: УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого; Мін-во аграр. політ. України. 2009. – Режим доступу: http://www.ndipvt.org.ua/konf2/2/16.htm.
  36.  Ветохин В.И. К вопросу систематизации пассивных рабочих органов для рыхления почвы на основе физики процесса [Електронний ресурс] / В.И. Ветохин // Матер. Міжнар. інтернет-конф., присвяч. 110-річн. започаткуван. випробувань в Україні та 60-річ. створ. УкрМВС-ВНДІВМОТ-УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого. – Київ: УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого; Міагрополітики України.  2008. – Режим доступу: http://www.ndipvt.org.ua/konf/2/4.htm.

АНОТАЦІЯ

Ветохін В.І. Системні та фізико-механічні основи проектування розпушувачів ґрунту. – Рукопис: Дис. … д-ра техн. наук 05.05.11 – машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва / В.І. Ветохін / ННЦ «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» ННЦ «ІМЕСГ». – Глеваха, 2010.  40 с.

Розроблена ієрархічна система властивостей та параметрів стану ґрунту.

Показано, що протиріччя між стабільністю в часі тривимірної геометричної форми робочого органу і динамічним у часі процесом деформування ґрунту усувається тим, що робочий орган і шар ґрунту утворюють систему з властивістю самоадаптації.

Запропонована модель кришення шару ґрунту в системі «джерело енергії – робочий орган – шар ґрунту». Показана роль проміжного тіла з ущільненого ґрунту, що реалізує механізм самоадаптації системи і виконує функції частини робочої поверхні, що динамічно змінюється, і регулятора ККД.

Показана здатність долотоподібних робочих органів перетворювати локальне стискання ґрунту у деформації зсуву з розтягненням об’єму скиби, що призводить до зменшення енерговитрат при кришенні. Таку саму особливість мають робочі органи, кривизна поверхні яких зменшується від переднього до заднього обрізу. Такі поверхні становлять клас в періодичній системі форм робочих поверхонь і широко застосовуються у ґрунтообробних знаряддях різних виробників.

Виділено три класи розпушувачів ґрунту: долотоподібні, ножеподібні (лемішні) та долото-полицеві.

Ключові слова: властивості ґрунту, ієрархічна модель, самоадаптація системи, саморегулювання форми, класи розпушувачів ґрунту, долотоподібні, ножеподібні, долото-полицеві, змінна кривизна поверхні, система форм.

АННОТАЦИЯ

Ветохин В.И. Системные и физико-механические основы проектирования рыхлителей почвы – Рукопись: Дис. … д-ра техн. наук: 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства / В.И. Ветохин / ННЦ «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства» ННЦ «ИМЭСХ». – Глеваха, 2010. – 40 с.

В работе представлена системная иерархическая модель свойств и параметров состояния почвы.

Предложена модель крошения почвы в системе «источник энергии – рабочий орган – слой почвы». Показан механизм самоадаптации системы с образованием промежуточного тела из уплотненной почвы, выполняющего функции динамически изменяющейся части рабочего органа и регулятора КПД.

Показано, что противоречие между постоянной во времени формой рабочего органа как трехмерного геометрического объекта, и динамическим процессом деформации пласта, как (3+1)-мерного физического объекта, устраняется тем, что рабочий орган и почва образуют систему с вовлечением в формообразование рабочей поверхности орудия части обрабатываемой почвы.

Установлен эффект саморегулирования формы почвообрабатывающего рабочего органа в системе «рабочий орган – слой почвы». Роль измерительного и логико-исполнительного устройств выполняет промежуточное тело из сжатой почвы на рабочей поверхности клина. Форма и размер промежуточного тела непрерывно изменяется, и тело распределяет напряжения и деформации в слое обрабатываемой почвы наименее энергоемким образом.

Установлена способность долотообразных рабочих органов преобразовывать локальное сжатие почвы в деформации сдвига с растяжением объема пласта, что сопровождается снижением энергозатрат при разуплотнении почвы. При этом проявляются особенности свойств почвы – меньшая прочность на растяжение чем на сжатие, и способность находиться в хрупко-подобном и пластичном состояниях в зависимости от напряженного состояния. Такое же свойство имеют рабочие органы, кривизна поверхности которых уменьшается от переднего к заднему обрезу (динамика формы). Поверхности с указанной особенностью кривизны составляют группу форм в периодической системе форм рабочих поверхностей и широко применяются в почвообрабатывающих орудиях различных производителей.

На базе проведенных исследований выделено три основных класса рабочих органов почвообрабатывающих орудий: долотовидные, ножевидные (лемешные), и долото-отвальные.

Теоретические разработки использованы в рабочих органах почвообрабатывающих орудий для противоэрозионных почвозащитных технологий классов чизельный плуг-глубокорыхлитель, плуг-рыхлитель, и рабочем органе для глубокого междурядного рыхления пропашных культур.

Ключевые слова: свойства почвы, иерархическая модель, самоадаптация системы, саморегулирование формы, классы рыхлителей почвы, долотовидные, ножевидные, долото-отвальные, переменная кривизна.

SUMMARY

Vetokhin V.I. System and physicomechanical bases of designing soil looseness tools - Manuscript: Dissertation … Dr.Sci.Tech.: 05.05.11 - machines and facilities of agricultural production mechanization / V.I. Vetokhin / NCS «Institute of mechanisation and agriculture electrification» NCS «IMAE». - Glevaha: 2010. - 40 p.

The system model of intercommunication of properties and parameters state of soil is presented in work.

The model in system "source of energy - working tool - soil" was proposed. And the mechanism of self-adapting of the system with forming of the intermediate body from the consolidated soil, performing the function of dynamic variable part of working surface and the regulating device of the efficiency system was shown.

Ability of chisel the visible workings organs of transformation is set local compression of soil by a wedge in deformation of change with tension of volume of layer. Such ability of chisel the visible soil processings of workings organs is accompanied power savings at loosening of soil.

Described characteristic are a workings surfaces curvature of which diminishes ot front to the back edge.

On the base of the conducted researches three basic classes of soil processing’s instruments are selected: of chisel the visible, knife similar (ploughshares) and chisel - moldboard.

Theoretical developments are inculcated in serial soil processing’s equipment for against a soil erosion and the soil protective technologies.

Keywords: loosening of soil, system model, properties and parameters of the state of soil, curvature of workings surfaces, effect of self-regulation of form, of chisel the visible, knife similar (ploughshares) and chisel - moldboard.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85177. Общественно-политическое движение в белорусских губерниях в 1860-е гг. - начале XX века 27.66 KB
  Во второй половине XIX века в общественнополитическую жизнь Беларуси активно включились представители третьего сословияразночинцы получившие название народников. С возникновением в Петербурге организации Земля и воля 1876 народническое движение в Беларуси развивалось под ее непосредственным влиянием. В начале 1884 года с инициативой объединения в общую организацию всех кружков Беларуси выступила группа Гомон. Гомоновцы впервые в истории общественной мысли Беларуси заявили о существовании белорусской нации.
85178. Революция 1905-1907 гг. Белорусские земли в условиях ускорения буржуазной модернизации (начало XX в.) 29.88 KB
  Основными причинами революции 1905-07гг стали недовольство царизмом,нерешенность аграрного, рабочего и национального вопросов. Начало революции ускорило поражение России в войне с Японией (1904-05гг). Революция нач.9 янв 1905 в Петербкрге с расстрела мирной демонстрации рабочих (Кровавое воскресенье).
85179. Первая мировая война и Февральская революция 1917г. Борьба политических партий за выбор путей общественного развития 28.2 KB
  Значительная часть территории Беларуси стала ареной военных действий. Около половины территории Беларуси оказалась под немецкой оккупацией. На захваченной германскими войсками территории Беларуси был введен жесткий режим деспотизма грабежа и насилия. Тяжёлое положение сложилось и на неоккупированной территории Беларуси.
85180. Культура Беларуси во второй половине XIX - начале XX века 27.25 KB
  Начинается новый этап в развитии белорусской литературы. Писатели постепенно становились на путь создания развитой литературы. Шел процесс ее жанрового обогащения литературы совершенствовалась стихотворение. Вершиной развития белорусского литературы стало творчество Франтишка Богушевича.
85181. Становление белорусской нации: закономерности и особенности 27.44 KB
  Продолжался процесс формирования белорусского нации. Существование нации характеризовалась наличием следующих признаков: сообщество территории и экономической жизни культуры и литературного языка общностью черт национального характера. Формирование белорусской нации сдерживалось русификаторской политикой царизма: расширение российского землевладения переводом начальной школы полностью на русскую язык обучения отсутствием высших учебных заведений белорусской печати.
85182. Октябрьская революция 1917 г. и белорусские земли. Первые социалистические преобразования 29.63 KB
  Что касается крестьянских советов то их абсолютное большинство находилось под влиянием эсэров и БСГ. 26 октября 2ой Всероссийский съезд Советов объявил советскую власть в центре и на местах принял Декрет о мире и земле. Это были 1 съезд Советов рабочих и крестьянских депутатов Западной области 3 съезд Советов крестьянских депутатов Минской и Виленской губерний и 2 съезд армии Западного фронта.
85183. Формирование белорусской государственности. БНР, БССР, Литбел 27.36 KB
  БНР БССР Литбел. Провозглашение БНР 21 февраля 1918 г. Исполком Всебелорусского съезда принял другую уставную грамоту в которой объявил Беларусь народной республикой БНР. Исполком был переименован в Раду БНР.
85184. Советско-польская война 1919-1920 гг. и ее итоги 28.77 KB
  Кроме того большевики чувствовали себя в Беларуси очень не надежно. В самой Беларуси были недовольны властью и паднимали восстания. Восточная Беларусь была для поляков разменной монетой которую они готовились передать большевикам за их согласие отказаться от Западной Беларуси. Этот договор только подтвердила предыдущую договоренность России и Польши о разделе между собой Беларуси и Украины.
85185. Общественно-политическое развитие БССР в 1920-1930 гг. Политические репрессии 28.76 KB
  Политические репрессии.полит. Формально лидеры профсоюзных организаций выбирались на собраниях фактически назначались партийными комитетами и проводили политику партии.