Обгрунтування параметрів обрізника залишків гички коренеплодів цикорію

Abstract

Бойко В.А. «Обгрунтування параметрів обрізника залишків гички коренеплодів цикорію». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування. Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2023 р. У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання підвищення показників якості зрізування залишків гички з головок коренеплодів цикорію шляхом розробки та обґрунтування раціональних параметрів робочих органів обрізника . Підвище ння показників якості зрізування залишків гички досягається шляхом удосконалення конструкції підпружиненої вертикальної тяги копіра . У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та поставлено задачі дослідження. Описано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та наведено особистий внесок здобувача у проведених дослідженнях. Наведено відомості щодо апробації та опублікування результатів наукових досліджень, структуру та обсяг дисертаційного дослідження. Вирішення даної мети зведено до розв’язання таких науково-прикладних задач: враховуючи відомі конструкції та технологічні процеси обрізування залишків гички з головок коренеплодів розробити удосконалену конструктивну схему обрізника; розробити математичні моделі, які функціонально описують процес контактної взаємодії копіра з головкою коренеплоду цикорію з умови невивалювання коренеплодів з грунту та непошкодження коренеплодів; отримати аналітичні залежності для визначення допустимої маси та допустимого прискорення рухомих частин обрізника; провести експериментальні дослідження процесу обрізування залишків гички з головок коренеплодів цикорію удосконаленим обрізником; провести польові порівняльні дослідження базового та удосконаленого обрізників; визначити економічні показники виробничого застосування удосконаленого обрізника. Об’єкт дослідження. Технологічний процес зрізування залишків гички з головок коренеплодів і робочі органи обрізника, залишки гички коренеплодів. Предмет дослідження. Конструктивно кінематичні параметри р обочих органів і їх вплив на технологічні показники роботи обрізника залишків гички з головок коренеплодів коренеплодів. На основі проведених наукових досліджень обґрунтовано основні раціональні конструктивно-кінематичні параметри робочих органів обрізника. На цій підставі: вперше розроблено: детерміновані математичні моделі, які функціонально описують процес контактної взаємодії копіра з головкою коренеплоду цикорію за умови невивалювання коренеплодів з грунту та непошкодження коренеплодів залежно від конструктивних і кінематичних параметрів робочих органів обрізника та часу контакту; математичні моделі, які дозволяють визначати допустиму сумарну горизонтальну та нормальну силу удару копіра по головці коренеплоду цикорію які забезпечують умову невивалювання коренеплоду з грунту та непошкодження коренеплоду; дістали подальший розвиток аналітичні залежності для визначення допустимої маси рухомих частин обрізника залежно від допустимої горизонтальної та нормальної сили ударного контакту копіра з головкою коренеплоду; уточнено рівняння для визначення горизонтального та нормального прискорення руху копіра після його контакту з головкою коренеплоду. У першому розділі наведено аналіз способів зрізування гички коренеплодів, конструкцій робочих органів гичкозрізувальних машин і обрізників залишків гички з головок коренеплодів, обгрунтовано вибір удосконаленої конструктивно-компонувальної схеми обрізника для проведення досліджень, а також проаналізовано відомі результати теоретично-експериментальних досліджень процесу зрізування залишків гички з головок коренеплодів робочими органами обрізників. Для більш ефективного усунення вивалювання коренеплодів з грунту та їх пошкодження у процесі динамічного контакту копіра з головкою коренеплоду нами запропоновано вдосконалену конструкцію вертикальної шарнірної тяги. Всередині стакана змонтована рухома тяга квадратної форми, яка у верхній частині переходить у циліндричний палець, а нижня частина рухомої тяги закріплена на амортизаторі. До бокових поверхонь рухомої тяги закріплено кронштейни в отвори яких вставлено нерухомі пальці. На пальці посаджено ролики, які переміщуються вверх і вниз у своїх пазах, утворених обмежувальними боковинамии. Зворотно-поступальний рух роликів обмежений верхнім і нижнім упорами, які виконані у вигляді плоских пластин. Стисна пружина вставлена в циліндричний палець, верхня частина якої упирається в упорну пластину. Копір наїжджає на головку коренеплоду та переміщується одночасно вздовж і вверх відносно неї. Рух копіра вверх передається рухомій тязі, яка стискає пружину, а далі – паралелограмному механізму, який підіймає (опускає) ножовий блок та встановлює ніж на задану висоту обрізування залишків гички. У другому розділі наведено теоретичний аналіз технологічного процесу контактної взаємодії копіра з головкою коренеплоду. На основі теоретичного аналізу процесу зрізування залишків гички з головок коренеплодів удосконаленим обрізником розроблено математичні моделі, які функціонально описують процес контактної взаємодії копіра з головокою коренеплоду залежно від основних параметрів робочих органів обрізника. Рішення моделей дозволило розробити залежності для визначення допустимої маси рухомих частин обрізника з умови невивалювання коренеплодів з грунту та непошкодження коренеплодів. Встановлено, що за середніх значень коефіцієнта жорсткості пружини регулювальної тяги 40 Н/м, коефіцієнта жорсткості пружини стакана вертикальної тяги 50 Н/м та кута встановлення копіра до горизонту 30 град. допустима сумарна маса рухомих частин обрізника за умови невивалювання коренеплодів з грунту дорівнює 6,9 кг, а за умови непошкодження коренеплодів – 5,2 кг. Отримано залежності для визначення сумарної горизонтальної та нормальної сили ударного контакту копіра з головкою коренеплоду. Сумарна горизонтальна сила контактної взаємодії копіра з головкою коренеплоду змінюється в межах від 212 до 162,5 Н, а сумарна нормальна сила – в межах від 61,5 до 161,5 Н залежно від зміни основних параметрів робочих органів обрізника, при цьому оптимальні теоретичні параметри робочих органів удосконаленого обрізника становлять: сумарна маса рухомих частин обрізника 8…9 кг; кут встановлення копіра до горизонту 30 град.; коефіцієнт жорсткості пружини регулювальної тяги 40 Н/м; коефіцієнт жорсткості пружини стакана вертикальної тяги 50 Н/м; коефіцієнт пружності амортизатора 4,7 Н/м. У третьому розділі наведено програму, опис експериментальних установок і методику проведення експериментальних досліджень. Програма проведення експериментальних досліджень удосконаленої конструкції обрізника залишків гички з головок коренеплодів цикорію передбачала виконання таких видів робіт: - спроектувати та виготовити маятниковий копер; - провести експериментальні дослідження для визначення характеру зламу коренеплодів цикорію залежно від параметрів контактної взаємодії підпружиненого ножа; - спроектувати та виготовити робочі органи обрізника; - провести польові експериментальні дослідження для визначення кількості вивалених коренеплодів з грунту та кількості пошкоджених коренеплодів робочими органами обрізника залежно від параметрів процесу; - провести польові порівняльні дослідження серійного та удосконаленого обрізника залишків гички з головок коренеплодів в виробничих умовах. В загальному для реалізації експериментів було розроблено структурну схему моделі проведення експериментальних досліджень на основі базових принципів поняття «чорної скрині». Для проведення експериментальних досліджень кількості зламаних коренеплодів цикорію було застосовано лабораторно-польову установку, яку виконано за принципом маятникового копра.Для реалізації польових експериментальних досліджень з визначення кількості вивалених коренеплодів з грунту та пошкодження коренеплодів цикорію застосовували: трирядну гичкозрізувальну машину для зрізування основного масиву гички; удосконалену конструкцію обрізника залишків гички з головок коренеплодів цикорію. За параметр оптимізації було вибрано показники якості зрізування гички з головок коренеплодів цикорію порівнюваних схем (5-х типів) обрізників, які виконано за принципом «пасивний копір-пасивний ніж» і «пасивний копір- підпружинений ніж»: кількість вивалених коренеплодів з грунту вкk ; кількість пошкоджених коренеплодів пк k , із них: кількість зламаних коренеплодів зкk ; кількість сколених коренеплодів скk . Типи порівнюваних обрізників залишків гички з головок коренеплодів цикорію були такими: 1 тип – базовий; 2 тип – без амортизатора; 3 тип – без пружини ножа; 4 тип – без пружини стакана; 5 тип (серійний). Контрольовані показники якості, або показники параметрів оптимізації визначали згідно з стандартними методиками, за результатами яких утворювали порівняльну таблицю. Методика проведення експериментальних досліджень базувалася на основі наукових методів планування та реалізації планованих факторних експериментів з метою отримання рівнянь регресії параметра оптимізації. Обробку експериментального масиву даних проводили за загальновідомими методами розрахунку з використанням методик регресійного та кореляційного аналізу. У четвертому розділі наведено результати реалізації програми експериментальних досліджень. На основі обробки експериментального масиву даних отримано: рівняння регресії, які описують функціональну зміну кількості зламаних коренеплодів цикорію у загальному випадку та кількості зламаних коренеплодів встановлених груп (відносно висоти розташування головки над рівнем грунту), кількості вивалених коренеплодів з грунту та кількості пошкоджених коренеплодів робочими органами обрізника залежно від параметрів процесу. Кількість зламаних коренеплодів цикорію у загальному випадку змінюється у діапазоні від 0 до 33 шт. та збільшується в середньому на 15…20 шт. за зміни коефіцієнта жорсткості пружини ножа від 30 до 60 Н/см в діапазоні зміни швидкості руху ножа від 1,6 до 2,4 м/с. Встановлено, що кількість зламаних коренеплодів цикорію для групи коренеплодів, які розташовані над рівнем поверхні грунту на висоті 5, 9 і 13 см змінюється, відповідно, у діапазоні від 0-6 шт., 0-12 шт. та 2-16 шт., при цьому за середнього діаметра зламу коренеплоду 4…6 см мінімальне значення кількості зламаних коренеплодів 6 шт. отримано за швидкості руху підпружиненого ножа від 1,6 до 2,0 м/с, коефіцієнта жорсткості пружини ножа від 30 до 45 Н/см. К Кількість вивалених коренеплодів з грунту та кількість пошкоджених коренеплодів цикорію змінюється у діапазоні, відповідно, від 1,5 до 5,5 % та від 11 до 24 % за зміни швидкості руху копіра у межах від 1,5 до 2,1 м/с, коефіцієнта жорсткості пружини стакана вертикальної тяги копіра від 35 до 65 Н/см, кута встановлення копіра відносно горизонту від 20 до 40 град. Агротехнічні вимоги, за яких кількість вивалених і пошкоджених коренеплодів менше, відповідно, 2,5 %, і 15 % дотримуються за таких параметрів обрізника: швидкість руху копіра – менше або рівна 1,8 м/с; маса рухомих частин обрізника – 5…8 кг; коефіцієнт жорсткості пружини ножа – від 30 до 45 Н/см; коефіцієнт жорсткості пружини стакана вертикальної тяги копіра – менше або рівний 45 Н/см; кут встановлення копіра відносно горизонтальної площини від 30до 35 град. За результатами порівняльних досліджень встановлено, що кількість вивалених коренеплодів з грунту, кількість пошкоджених, зламаних і сколених коренеплодів удосконаленим обрізником зменшується у 1,4 рази порівняно з серійним обрізником, а залишки гички на головках коренеплодів – у 1,5 рази. У п’ятому розділі наведено шляхи подальшого удосконалення робочих органів обрізників залишків гички з годовок коренеплодів і розрахований економічний ефект від застосування удосконаленого модуля. На основі аналізу теорет ично експериментальних досліджень було обґрунтовано такі раціональні параметри гичкозбирального модуля: рробоча швидкість руху обрізника 1,6…1,8 м/с; коефіцієнт жорсткості пружини ножа, 30…45 Н/м; коефіцієнт жорсткості пружини стакана вертикальної тяги копіра до 45 Н/м; кут встановлення копіра відносно горизонтальної площини 30…35 град. Розраховані показники економічної ефективності підтверджують доцільність використання удосконаленого обрізника в виробничих умовах економічний ефект на 1 га зібраної площі становить 4439,7 грн/га.

Boyko V.A. «Justification of the parameters of the trimmer of chicory root crop haulm». Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Qualification scientific work with the manuscript copyright. Doctor of Philosophy thesis on specialism 133 «Industrial Engineering» (13 –Mechanical Engineering). – Ternopil I. Puluj national technical university, Ternopil, 2023. In the dissertation work, a new scientific task of improving the quality indicators of cutting the remains of the bran from the heads of chicory root crops was solved by developing and substantiating the rational parameters of the cutter's working organs. An increase in the quality indicators of the cutting of the scrap residues is achieved by improving the design of the spring-loaded vertical thrust of the copier. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal and sets the objectives of the research. The scientific novelty, the practical significance of the obtained results are described, and the personal contribution of the winner in the conducted research is given. Information on the approval and publication of the results of scientific research, the structure and scope of the dissertation research is provided. The solution of this goal is reduced to the solution of the following scientific and applied problems: taking into account the known designs and technological processes of trimming the remains of the burdock from the heads of root crops, to develop an improved structural scheme of the trimmer; develop mathematical models that functionally describe the process of contact interaction of the copier with the head of the chicory root under the condition that the roots do not fall out of the soil and the roots are not damaged; obtain analytical dependencies for determining the permissible mass and permissible acceleration of the moving parts of the cutter; to carry out experimental studies of the process of cutting off the remains of chicory from the heads of chicory root crops with an improved cutter; to conduct comparative field studies of basic and advanced trimmers; to determine the economic indicators of the production application of the improved trimmer. Object of study. The technological process of cutting off the remains of root crops from the heads of root crops and the working organs of the trimmer, the remains of root crops. Subject of study. Structural and kinematic parameters of the working bodies and their influence on the technological indicators of the cutter of the remains of the ghee from the heads of root crops. On the basis of the conducted scientific research, the main rational structural and kinematic parameters of the cutter's working bodies are substantiated. On this basis: deterministic mathematical models were developed for the first time, which functionally describe the process of contact interaction of the copier with the head of the chicory root under the condition that the roots do not fall out of the soil and the roots are not damaged, depending on the structural and kinematic parameters of the cutter's working organs and contact time; mathematical models that allow you to determine the permissible total horizontal and normal impact force of the copier on the head of the chicory root crop, which ensure the condition that the root crop does not fall out of the ground and that the root crop is not damaged; analytical dependences were further developed to determine the permissible mass of the moving parts of the cutter depending on the permissible horizontal and normal force of impact contact of the copier with the head of the root crop; the equation for determining the horizontal and normal acceleration of the movement of the copier after its contact with the head of the root crop was refined. The first section provides an analysis of the methods of cutting root vegetables, designs of working bodies of vegetable cutting machines and cutters of vegetable residues from root crops, the choice of an improved structural and compositional scheme of the cutter for conducting research is substantiated, as well as the known results of theoretical and experimental studies of the process of cutting vegetable residues from heads are analyzed root crops by the working bodies of pruners. In order to more effectively eliminate root crops falling out of the soil and their damage in the process of dynamic contact of the copier with the head of the root crop, we have proposed an improved design of the vertical hinged thrust. Inside the glass, a square-shaped moving rod is mounted, which in the upper part turns into a cylindrical finger, and the lower part of the moving rod is fixed on a shock absorber. Brackets are attached to the side surfaces of the movable thrust, in the holes of which fixed fingers are inserted. Rollers are placed on the fingers, which move up and down in their grooves formed by the limiting sidewalls. The reciprocating movement of the rollers is limited by the upper and lower stops, which are made in the form of flat plates. The compression spring is inserted into a cylindrical finger, the upper part of which rests against the thrust plate. The copier hits the head of the root crop and moves simultaneously along and up relative to it. The upward movement of the copier is transmitted to the moving rod, which compresses the spring, and then to the parallelogram mechanism, which raises (lowers) the knife block and sets the knife to the specified cutting height of the scraps. The second chapter provides a theoretical analysis of the technological process of the contact interaction of the copier with the head of the root crop. Based on the theoretical analysis of the process of cutting off the remains of burdock from the heads of root crops with an improved trimmer, mathematical models have been developed that functionally describe the process of contact interaction of the copier with the head of the root crop depending on the main parameters of the trimmer's working organs. The solution of the models made it possible to develop dependencies for determining the permissible mass of the moving parts of the trimmer from the condition of nev extraction of root crops from the soil and non-damage of root crops. It was established that at the average values of the stiffness coefficient of the spring of the regulating thrust of 40 N/m, the stiffness coefficient of the spring of the vertical thrust cup of 50 N/m and the angle of installation of the copier to the horizon of 30 degrees. the permissible total weight of the moving parts of the pruner is 6.9 kg, provided the roots are not pulled out of the soil, and 5.2 kg, provided the roots are not damaged. Dependencies were obtained to determine the total horizontal and normal force of impact contact of the copier with the head of the root crop. The total horizontal force of the contact interaction of the copier with the head of the root crop varies from 212 to 162.5 N, and the total normal force - from 61.5 to 161.5 N depending on the change in the main parameters of the cutter's working organs, while the optimal theoretical parameters the working bodies of the improved cutter are: the total mass of the moving parts of the cutter is 8...9 kg; the angle of installation of the copier to the horizon is 30 degrees; stiffness coefficient of the adjusting rod spring 40 N/m; stiffness coefficient of the spring of the vertical thrust cup 50 N/m; the coefficient of elasticity of the shock absorber is 4.7 N/m. In the third section, the program, description of experimental installations and methods of conducting experimental research are given. The program for conducting experimental research on the improved design of the trimmer for the remnants of chicory root crops included the following types of work: - to design and manufacture a pendulum coper; - to conduct experimental studies to determine the nature of the fracture of chicory root crops depending on the contact interaction parameters of the spring-loaded knife; - design and manufacture working bodies of the trimmer; - conduct field experimental studies to determine the number of root crops that have fallen out of the ground and the number of root crops damaged by the cutter's working bodies, depending on the process parameters; - to conduct field comparative studies of serial and improved cutter of the remains of the root crops in production conditions. In general, for the implementation of the experiments, a structural diagram of the experimental research model was developed based on the basic principles of the "black box" concept. To conduct experimental studies of the number of broken roots of chicory, a laboratory-field setup was used, which was made according to the principle of a pendulum copra. To implement field experimental research on the determination of the number of root crops that have fallen out of the soil and damage to chicory root crops, the following were used: a three-row gorse cutting machine for cutting the main massif of gorse; the improved design of the trimmer for the remains of the chicory root heads. The optimization parameters were selected for the quality indicators of cutting the stalks from the heads of chicory root crops of the compared schemes (5 types) of trimmers, which were made according to the principle of "passive copier-passive knife" and "passive copier-spring-loaded knife": the number of root crops that fell out of the ground; the number of damaged root crops, of which: the number of broken root crops; the number of crushed roots. The types of compared cutters for the remains of the chicory root heads were as follows: 1 type – basic; 2 type – without shock absorber; Type 3 – without knife spring; Type 4 – without a glass spring; Type 5 (serial). Controlled quality indicators, or indicators of optimization parameters, were determined according to standard methods, based on the results of which a comparative table was formed. The methodology of experimental research was based on scientific methods of planning and implementation of planned factorial experiments with the aim of obtaining regression equations of the optimization parameter. Processing of the experimental array of data was carried out according to well-known calculation methods using regression and correlation analysis methods. The fourth chapter presents the results of the implementation of the experimental research program. Based on the processing of the experimental array of data, the following regression equations were obtained, which describe the functional change in the number of broken roots of chicory in the general case and the number of broken roots of established groups (relative to the height of the head above the ground level), the number of roots that fell out of the ground and the number of damaged roots by the working organs of the pruner depending on the process parameters. The number of broken roots of chicory in general varies in the range from 0 to 33 pcs. and increases by an average of 15...20 pcs. for changes in the stiffness coefficient of the knife spring from 30 to 60 N/cm in the range of changes in the speed of the knife movement from 1.6 to 2.4 m/s. It was established that the number of broken chicory root crops for the group of root crops, which are located above the soil surface at a height of 5, 9, and 13 cm, varies, respectively, in the range from 0-6 pcs., 0-12 pcs. and 2-16 pcs., at the same time, for the average diameter of the broken root crop of 4...6 cm, the minimum value of the number of broken root crops is 6 pcs. obtained at the speed of movement of the spring-loaded knife from 1 .6 to 2.0 m/s, the stiffness coefficient of the knife spring from 30 to 45 N/cm. The number of root crops fallen from the soil and the number of damaged root crops of chicory varies in the range, respectively, from 1.5 to 5.5% and from 11 to 24% for changes in the speed of the copier in the range from 1.5 to 2.1 m/s, stiffness coefficient of the spring of the vertical thrust of the copier from 35 to 65 N/cm, the angle of installation of the copier relative to the horizon from 20 to 40 degrees. Agrotechnical requirements, under which the number of fallen and damaged root crops is less than 2.5% and 15%, respectively, are met with the following parameters of the cutter: speed of movement of the copier is less than or equal to 1.8 m/s; mass of moving parts of the trimmer - 5...8 kg; stiffness coefficient of the knife spring - from 30 to 45 N/cm; the coefficient of stiffness of the spring of the vertical thrust of the copier is less than or equal to 45 N/cm; the angle of installation of the copier relative to the horizontal plane is from 30 to 35 degrees. According to the results of comparative studies, it was found that the number of root crops that fell out of the ground, the number of damaged, broken and chipped root crops with the improved pruner is reduced by 1.4 times compared to the serial pruner, and the remains of gorse on the heads of root crops – by 1.5 times. In the fifth chapter, the ways of further improvement of the working bodies of the cutters of the remains of the ginseng from root crops are given and the calculated economic effect of the use of the improved module is given. On the basis of the analysis of theoretical and experimental studies, the following rational parameters of the string harvesting module were substantiated: working speed of the trimmer 1.6...1.8 m/s; stiffness coefficient of the knife spring, 30...45 N/m; stiffness coefficient of the spring of the copier vertical thrust cup up to 45 N/m; the angle of installation of the copier relative to the horizontal plane is 30...35 degrees. The calculated indicators of economic efficiency confirm the expediency of using the improved trimmer in production conditions - the economic effect per 1 ha of harvested area is UAH 4439.7/ha.