DSpace Зібрання:

Обґрунтування параметрів шнекових змішувачів з регульованою подачею

2026-01-01T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування параметрів шнекових змішувачів з регульованою подачею Автори: Коваль, Сергій Олександрович; Koval, S.O. Короткий огляд (реферат): Коваль С.О. Обґрунтування параметрів шнекових змішувачів з регульованою подачею. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2026. У дисертаційній роботі шляхом виконання теоретичного обґрунтування та експериментального дослідження здійснено вирішення наукового завдання, яке полягає у підвищенні однорідності змішування сумішей гвинтовими транспортнотехнологічними змішувачами за рахунок збільшення інтенсивності перемішування при незначних довжинах шнекової магістралі за рахунок тертя матеріалів з обертовими гвинтовим робочим органом та кожухом, шляхом розроблення і дослідження шнекових змішувачів з обертовим кожухом з регульованою подачею та вибором їх раціональних конструктивних параметрів та режимів роботи. На основі проведеного аналізу потоку суміші в гвинтових конвеєрах змішувачах при перехідних режимах показано, що транспортування суміші проходить із осьовою та коловою швидкостями з відривом від кожуха у верхній його частині, а на дузі піднімання утворюється динамічне тіло волочіння із стаціонарним осьовим рухом. Встановлено, що основним фактором, що впливає на колове переміщення суміші є обертовий рух кожуха, а обертанням гвинта забезпечується її осьове переміщення. За результатами розв’язку диференціальних рівнянь руху потоку вантажу, визначено кінематичні та динамічні параметри транспортування суміші, зокрема осьові та колові складові швидкості потоку частинок суміші, а також продуктивність конвеєразмішувача та його потужність і значення моментів приводу робочих органів. Показано, що рух динамічного тіла волочіння можна привести до руху частинки з приведеними параметрами. В результаті проведених теоретичних досліджень встановлено, що згладжувальна здатність похилого гвинтового конвеєразмішувача оптимізується при ймовірності просипання суміші через вал 5, 0 = р та зростає із ростом кількості комірок, тобто із збільшенням довжини конвеєразмішцувача L , зменшенням кроку гвинта Т та різниці між кутовими швидкостями гвинта та кожуха 2 1  −  , при раціональному значенні кутової швидкості кожуха 2 . В роботі представлено програму і методику проведення експериментальних досліджень розробленого і виготовленого зразка шнекового конвеєра з регульованою подачею матеріалу у зоні завантаження із бункера та з обертовим рухом кожуха в напрямку обертання шнека для одночасного змішування та транспортування матеріалів. Проведено статистичне оброблення результатів повнофакторних експериментів з виведенням емпіричних рівнянь регресії, що дають можливість прогнозувати потужність приводу обертання шнека, потужність приводу обертання кожуха, продуктивність шнекового змішувача та коефіцієнта неоднорідності змішування при комбінації різних сипких матеріалів від зміни трьох основних факторів: частоти обертання шнека n1, частоти обертання кожуха n2, кута нахилу α шнекового змішувача. Встановлено, що при зменшенні частоти обертання шнека, збільшенні частоти обертання кожуха в іншому напрямку і кута нахилу змішувача величина коефіцієнта неоднорідності змішування трьохкомпонентної та двохкомпонентних сумішей зменшується. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,07…1,15 разів. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. забезпечує зменшення коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,2…1,22 рази. Зміна кута нахилу α шнека від 0 град. до 30 град. сприяє зменшенню коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,11...1,14 рази. Загалом коефіцієнт неоднорідності змішування двохкомпонентної суміші шнековим змішувачем з обертовим кожухом є в 1,64 рази меншим ніж при змішуванні класичним гвинтовим конвеєром із спіральним шнеком в межах досліджуваних частот його обертання від в межах осліджуваних частот його обертання від 250250 об/хв. до 350 350 об/хв. Визначено, що при збільшенні частоти обертання шнека, частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина потужності приводу обертання шнека при транспортуванні та змішуванні комбінації різних сипких матеріалів збільшується. Значення потужності приводу обертання шнека при транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші коливалось в межах 0,078 кВт… 0,164 кВт, а для двохкомпонентних сумішей від 0,087 кВт 0,189 кВт. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання потужності приводу обертання шнека в 1,4 рази. При цьому збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до збільшеня потужності приводу обертання шнека в 1,28 рази, а зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. сприяє збільшенню потужності приводу обертання шнека в 1,23 рази. Встановлено, що при збільшенні частоти обертання шнека, частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина потужності приводу обертання кожуха при транспортуванні та змішуванні комбінації різних сипких матеріалів збільшується. Потужність приводу обертання кожуха при транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші змінювалась від 0,017 кВт до 0,045 кВт, а для двохкомпонентних сумішей ці значення коливались в межах 0,019 кВт… 0,052 кВт. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання потужності приводу обертання кожуха в 1,16 рази. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до збільшення потужності приводу обертання кожуха в 2 рази, Зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. сприяє збільшенню потужності приводу обертання кожуха в 1,18 рази. Визначено, що при збільшенні частоти обертання шнека, зменшенні частоти обертання кожуха і кута нахилу шнекового змішувача величина продуктивності транспортування та змішування комбінації різних сипких матеріалів шнековим змішувачем зростає. При транспортуванні та змішуванні трьохкомпонентної суміші вона коливалось в межах від 0,56 т/год. до 3,78 т/год,, а для двохкомпонентної суміші в межах від 0,62 т/год. до 4,37 т/год. Збільшення частоти обертання шнека n1 від 250 об/хв. до 350 об/хв. призводить до зростання продуктивності шнекового змішувача в 1,85 рази. Збільшення частоти обертання кожуха n2 від 100 об/хв. до 200 об/хв. призводить до зменшення продуктивності шнекового змішувача в 1,58 рази, а зміна кута нахилу α шнекового змішувача від 0 град. до 30 град. призводить до зменшення продуктивності шнекового змішувача в 1,38 рази. Виконано структурний синтез гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами за допомогою морфологічного аналізу і отримано нові конструкції гвинтових робочих органів змішувачів та конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами. Розроблені конструкції гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами, шнеків для змішування та способів їх виготовлення захищені дев’ятьма патентами України на корисні моделі. У ТОВ «Сіефджі Трейдинг» Компанії «Контінентал Фармерз Груп» (м. Тернопіль) і ФГ «КРОК ВПЕРЕД 2019» (Тернопільська обл., с. Трибухівці) підтверджено ефективність виконання технологічного процесу змішування сумішей із застосуванням гвинтових конвеєрівзмішувачів з обертовими кожухами, розроблених на основі патентів України № 154380 і № 154547. Конструкції шнеків для змішування, які виготовлені на основі патентів України № 153687 і № 153774, використовувались при виготовленні змішувальних апаратів у ФГ «ДАРИ ДОЛИНИ» (Тернопільська обл., смт. Гусятин) і ПП «Хлопівецьке» (Тернопільська обл., м. Копичинці). Економічний ефект від впровадження і використання технічних засобів, розроблених на основі зазначених патентів, склав 534000 грн.; Koval S.O. Justification of the parameters of screw mixers with regulated feed. – Qualification scientific work on the rights of manuscripts. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 «Industrial Mechanical Engineering». – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. In the dissertation, the scientific problem of improving the mixing homogeneity of mixtures in screw conveyor–technological mixers is solved through theoretical substantiation and experimental investigation. The proposed approach is based on increasing the mixing intensity over relatively short screw conveyor lengths by enhancing material friction with the rotating screw working body and the casing. This is achieved through the development and investigation of screw mixers with a rotating casing, adjustable feed rate, and the determination of their rational design parameters and operating modes. Based on the analysis of mixture flow in screw conveyor mixers under transient operating conditions, it is shown that the transportation of the mixture occurs with both axial and circumferential velocity components, accompanied by detachment from the casing in its upper part. Along the lifting arc, a dynamic dragging body with steady axial motion is formed. It has been established that the primary factor influencing the circumferential movement of the mixture is the rotational motion of the casing, whereas the axial movement is ensured by the rotation of the screw. As a result of solving the differential equations of motion of the bulk material flow, the kinematic and dynamic parameters of mixture transportation were determined, including the axial and circumferential components of the particle flow velocity, as well as the capacity of the conveyormixer, its power consumption, and the torque values of the drives of the working bodies. It is shown that the motion of the dynamic dragging body can be reduced to the motion of a particle with equivalent parameters. As a result of the conducted theoretical studies, it was established that the smoothing (equalizing) capability of an inclined screw conveyor–mixer is optimized at a certain probability of mixture leakage through the shaft and increases with an increase in the number of cells, i.e., with an increase in the length of the conveyor–mixer, a decrease in the screw pitch, and a reduction in the difference between the angular velocities of the screw and the casing, provided that a rational value of the casing angular velocity is selected. The dissertation presents a program and methodology for conducting experimental studies of the developed and manufactured prototype of a screw conveyor with adjustable material feed in the loading zone from a hopper and with a rotating casing in the direction of screw rotation, intended for simultaneous mixing and conveying of bulk materials. Statistical processing of the results of fullfactorial experiments was carried out, resulting in empirical regression equations that make it possible to predict the power of the screw drive, the power of the casing drive, the capacity of the screw mixer, and the mixing nonuniformity coefficient when combining various bulk materials, depending on variations in three main factors: the screw rotational speed n1, the casing rotational speed n2, and the inclination angle α of the screw mixer. It was established that a decrease in the screw rotational speed, an increase in the casing rotational speed in the opposite direction, and an increase in the inclination angle of the mixer lead to a reduction in the mixing nonuniformity coefficient for both threecomponent and twocomponent mixtures. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in an increase in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.07–1.15. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm ensures a decrease in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.20–1.22. Changing the screw inclination angle α from 0° to 30° contributes to a reduction in the mixing nonuniformity coefficient by a factor of 1.11–1.14. Overall, the mixing nonuniformity coefficient of a twocomponent mixture mixed by a screw mixer with a rotating casing is 1.64 times lower than that obtained using a conventional screw conveyor with a helical screw within the investigated screw rotational speed range of 250–350 rpm. It was determined that an increase in the screw rotational speed, the casing rotational speed, and the inclination angle of the screw mixer leads to an increase in the power required for the screw drive during the conveying and mixing of combinations of various bulk materials. The screw drive power during the transportation and mixing of a threecomponent mixture ranged from 0.078 kW to 0.164 kW, while for twocomponent mixtures it varied from 0.087 kW to 0.189 kW. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.4fold increase in the screw drive power. At the same time, an increase in the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a 1.28fold increase in the screw drive power, whereas a change in the inclination angle α of the screw mixer from 0° to 30° contributes to a 1.23fold increase in the screw drive power. It was also established that an increase in the screw rotational speed, the casing rotational speed, and the inclination angle of the screw mixer causes an increase in the power required for the casing drive during the conveying and mixing of combinations of various bulk materials. The casing drive power during the transportation and mixing of a threecomponent mixture varied from 0.017 kW to 0.045 kW, while for twocomponent mixtures these values ranged from 0.019 kW to 0.052 kW. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.16fold increase in the casing drive power. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a twofold increase in the casing drive power, whereas changing the inclination angle α of the screw mixer from 0° to 30° contributes to a 1.18fold increase in the casing drive power. It was determined that an increase in the screw rotational speed, combined with a decrease in the casing rotational speed and the inclination angle of the screw mixer, leads to an increase in the conveying and mixing capacity of the screw mixer when handling combinations of various bulk materials. During the transportation and mixing of a threecomponent mixture, the capacity ranged from 0.56 t/h to 3.78 t/h, while for a twocomponent mixture it ranged from 0.62 t/h to 4.37 t/h. An increase in the screw rotational speed n1 from 250 rpm to 350 rpm results in a 1.85fold increase in the capacity of the screw mixer. Increasing the casing rotational speed n2 from 100 rpm to 200 rpm leads to a 1.58fold decrease in the screw mixer capacity, whereas changing the inclination angle α from 0° to 30° results in a 1.38fold decrease in the capacity of the screw mixer. Structural synthesis of screw conveyor–mixers with rotating casings was performed using morphological analysis, resulting in the development of new designs of screw working bodies for mixers and screw conveyor–mixers with rotating casings. The developed designs of screw conveyor–mixers with rotating casings, mixing screws, and methods for their manufacture are protected by nine Ukrainian utility model patents. The effectiveness of the technological process of mixture blending using screw conveyor–mixers with rotating casings, developed on the basis of Ukrainian patents No. 154380 and No. 154547, was confirmed at LLC “CFG Trading” of the Continental Farmers Group (Ternopil) and at the farming enterprise “KROK VPERED 2019” (Ternopil region, Trybukhivtsi village). The mixing screw designs manufactured in accordance with Ukrainian patents No. 153687 and No. 153774 were used in the production of mixing equipment at the farming enterprise “DARY DOLYNY” (Ternopil region, Husiatyn township) and at the private enterprise “Khlopivetske” (Ternopil region, Kopychyntsi). The economic effect obtained from the implementation and use of the technical solutions developed on the basis of the abovementioned patents amounted to UAH 534,000. Опис: Подається на здобуття наукового ступеня доктора філософії. Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело.

Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів універсальної картоплесаджалки

2026-01-01T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів універсальної картоплесаджалки Автори: Блащак, Богдан Олегович; Blashchak, B.O. Короткий огляд (реферат): Блащак Б.О. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів універсальної картоплесаджалки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування. Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя МОН України, Тернопіль, 2026. У дисертаційній роботі науково обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність універсальної картоплесадильної машини зі смуговим фрезеруванням ґрунту, дискретним припосадковим внесенням мінеральних добрив і садильним апаратом барабанного типу, що забезпечує підвищення якості посадки та енергоефективність технологічного процесу. У вступній частині дисертаційної роботи виконано обґрунтування актуальності обраної теми, визначено мету роботи та сформульовано основні завдання дослідження. Розкрито наукову новизну роботи, її практичну цінність, а також окреслено особистий внесок здобувача в отриманні результатів. Наведені дані щодо апробації результатів отриманих у ході формування дисертаційної роботи, а також відомості про структуру та обсяг роботи.Для реалізації мети дисертаційного дослідження у роботі поставлені та вирішені наступні завдання: на основі аналізу сучасних технологій посадки картоплі та конструкцій картоплесадильних машин обґрунтовано технологічну схему універсальної картоплесадильної машини, що поєднує смугове фрезерування ґрунту, формування посадкового ложа, дискретне внесення добрив і садіння картоплі з поетапним утворенням гребеня; розроблено теоретичну модель взаємодії ножів фрезерного барабана з ґрунтом та обґрунтовано його раціональні кінематичні параметри для смугового фрезерування за критеріями енергоефективності й формування ґрунтової стружки оптимальної товщини; досліджено кінематику руху ґрунтової стружки та процес її взаємодії з направляючим кожухом фрезерного барабана, обґрунтовано форму та положення кожуха для забезпечення первинного присипання насіння картоплі; розроблено математичну модель процесу роботи садильного апарату барабанного типу з урахуванням стохастичного розподілу розмірів бульб і контактної взаємодії та обґрунтовано геометричні параметри комірок за умов мінімального травмування насіннєвого матеріалу; обґрунтовано конструкцію та параметри апарата дискретного припосадкового внесення твердих мінеральних добрив і досліджено умови його кінематичної та технологічної синхронізації з садильним апаратом; розроблено програму та методику проведення лабораторних і польових експериментальних досліджень універсальної картоплесадильної машини; встановлено раціональні параметрів механізмів універсальної картоплесаджалки та оцінено її економічну ефективність при впровадженні у виробництво. Об’єктом дослідження є технологічний процес механізованої посадки картоплі при поєднанні смугового фрезерування ґрунту, дискретного припосадкового внесення мінеральних добрив та посадки бульб робочими органами універсальної картоплесадильної машини.Предметом дослідження є конструктивно‑кінематичні параметри робочих органів універсальної картоплесадильної машини та закономірності їх взаємодії з ґрунтом, насіннєвими бульбами та мінеральними добривами в процесі посадки картоплі.Виконані наукові дослідження підвищують якість, енергетичну та технологічну ефективність процесу посадки картоплі через отримання нових теоретичних залежностей, на основі яких обґрунтовано онструктивно‑кінематичні та технологічні параметри робочих органів універсальної картоплесадильної машини. На цій основі, вперше розроблено математичну модель руху ґрунтової стружки та її взаємодію з направляючим кожухом фрезерного барабана, що дозволило обґрунтувати його форму для підвищення якості заробляння насіння; розроблено теоретичну модель роботи садильного апарату барабанного типу з внутрішнім розміщенням комірок з урахуванням стохастичного розподілу розмірів бульб і контактної взаємодії, на основі якої обґрунтовано раціональні параметри комірок; розвинуто наукові положення процесу взаємодії ножів фрези із ґрунтом на основі розробки залежностей, які функціонально поєднують кінематичні параметри фрезерного барабана, товщину ґрунтової стружки та енерговитрати процесу; набули подальшого розвитку теоретичні положення механізованого припосадкового внесення мінеральних добрив шляхом обґрунтованого принципу дискретного дозування та синхронізації роботи садильного та тукового апаратів; за результатами експериментальних досліджень побудовано регресійні залежності впливу конструктивно-кінематичних параметрів картоплесаджалки на якісні показники процесу садіння, що дозволило науково обґрунтувати та визначити їх раціональні значення за заданими критеріями ефективності. У першому розділі виконано системний аналіз сучасного стану виробництва картоплі в Україні та світі, особливостей її вирощування у фермерських і підсобних господарствах, а також рівня механізації технологічних операцій посадки. Розглянуто біологічні та агротехнічні вимоги культури до формування посадкового ложа, структури ґрунту, глибини закладання бульб і локалізації елементів живлення. Проаналізовано основні способи посадки картоплі та обґрунтовано доцільність застосування гребеневого способу в механізованих технологіях. Наведено класифікацію та детальний аналіз конструкцій картоплесадильних машин і садильних апаратів, виявлено їх основні конструктивно‑технологічні недоліки. На основі аналізу літературних джерел, серійних і перспективних конструкцій запропоновано технологічну схему універсальної картоплесадильної машини зі смуговим фрезеруванням ґрунту, дискретним внесенням мінеральних добрив і садильним апаратом барабанного типу. За результатами розділу сформульовано актуальність теми, мету та основні завдання дисертаційного дослідження. Другий розділ присвячено теоретичному обґрунтуванню конструктивно‑технологічних параметрів основних робочих органів універсальної картоплесадильної машини. Розроблено математичні моделі взаємодії фрезерного барабана з ґрунтом, які дозволили встановити зв’язок між кінематичними параметрами роботи ножів, товщиною ґрунтової стружки та енергетичними витратами при смуговому фрезеруванні. Встановлено, що при поступальній швидкості агрегату 0,833 м/с – 1,389 м/с частота його обертання повинна складати 211,3 об/хв – 253,3 об/хв, що забезпечує грудкуватість поверхні поля 10-30 мм, при цьому значення показника кінематичного режиму роботи складе 5,3-4,5. Досліджено траєкторії руху ґрунтової стружки та розроблено модель її взаємодії з направляючим кожухом фрезерного барабана, що дозволило обґрунтувати форму та положення кожуха для забезпечення первинного присипання насіння картоплі. Розроблено математичну модель роботи садильного апарату барабанного типу з урахуванням стохастичного розподілу розмірів бульб і контактної взаємодії, на основі якої обґрунтовано геометричні параметри комірок і допустимі кінематичні режими: радіус кривизни комірки мінімальний – 0,046 мм, середній – 0,053 мм, максимальний – 0,061 мм; кількість комірок вичерпуючого барабана – 14; при застосуванні колеса змінного діаметру забезпечуються кроки посадки картоплі – 0,218 мм, 0,242 мм, 0,267 мм, 0,291 мм; при поступальній швидкості агрегату 1 м/с вичерпуючий барабан обертатиметься з частотами: 19,6 об/хв, 17,7 об/хв, 16,1 об/хв, 14,7 об/хв; кут встановлення обмежувача випадання картоплі: мінімальний – 97,40, максимальний – 100,80; зазор між обмежувачем та вершиною комірок – 8-12 мм. Також отримано аналітичні залежності для опису процесу умовно дискретного припосадкового внесення мінеральних добрив котушковим апаратом і встановлено умови його кінематичної та технологічної синхронізації з садильним апаратом. Визначено: діаметр котушки – 130 мм, співвідношення ширини жолобка та перемички між жолобками – 0,4:0,6; кількість жолобків – 7; робоча довжина котушки – 0,08 м; ефективна площа жолобка – 290·10-6 м2 . У третьому розділі розроблено програму та методику експериментальних досліджень універсальної картоплесадильної машини і її основних робочих органів. Наведено конструктивну схему дослідного зразка машини та описано умови проведення лабораторних і польових випробувань. Обґрунтовано вибір незалежних факторів і діапазонів їх варіювання для дослідження роботи фрезерного модуля, садильного апарату барабанного типу й апарата дискретного внесення мінеральних добрив. Запропоновано методи вимірювання технологічних показників та показників якості посадки, а також параметрів формування гребеня. Описано схеми планування експерименту та методи статистичної обробки результатів, що забезпечують відтворюваність і достовірність експериментальних даних та дозволяють перевірити адекватність отриманих теоретичних моделей. Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень основних робочих органів універсальної картоплесадильної машини в лабораторних і польових умовах. Досліджено вплив кінематичних параметрів фрезерного барабана та швидкості руху агрегату на якість смугового фрезерування ґрунту, якість процесу посадки. Експериментально підтверджено ефективність направляючого кожуха фрезерного барабана щодо первинного присипання насіння картоплі ґрунтовою стружкою. Наведено результати досліджень роботи садильного апарату барабанного типу, які характеризують рівномірність кроку посадки, стабільність захоплення та транспортування бульб. Встановлено, що для досягнення середньої ґрудковатості 19 мм при мінімальній поступальній швидкості агрегату 0,833 м/с частота обертання фрезерного барабана складає 225 об/хв, коефіцієнт варіації глибини обробітку при цьому 8 %. Розбіжність таких частот, що знайдені аналітично та із експерименту – 6,2 %; досліджувані параметри роботи садильного апарату лежать в межах агротехнічних вимоги: для заданого кроку посадки 0,267 м відносні відхилення – до 7,5%; максимальне відсоткове значення пропусків – до 3,0%; наявність двійників у гнізді – 2,6%. Раціональні рекомендовані параметри режимів роботи садильного апарата: швидкість агрегату – 1,30 м/с; кут установки обмежувача – 960. Оцінено ефективність дискретного припосадкового внесення мінеральних добрив та підтверджено узгоджену роботу тукового й садильного апаратів. Експериментальні результати підтвердили адекватність теоретичних моделей. У п’ятому розділі виконано узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень і обґрунтовано раціональні параметри та режими роботи механізмів універсальної картоплесадильної машини. Визначено оптимальні налаштування фрезерного модуля, садильного апарату та апарата внесення добрив, що забезпечують стабільну роботу машини в польових умовах. Досліджено синхронізацію роботи садильного та тукового апаратів і підтверджено можливість стійкого умовно дискретного внесення добрив. Встановлено, що для кроку посадки картоплі 0,267 мм зона розсівання добрив під гніздом складає 107 мм, момент випадання туків по відношенню до моменту випадання картоплі потрібно змістити із «запізненням» на 330. На основі розроблених інженерних методик обґрунтовано раціональні параметри та виготовлено дослідний зразок універсальної картоплесаджалки, що захищена двома патентами на корисні моделі. Машина має такі основні параметри: безступеневе регулювання ширини міжрядь, мм – 600-700; глибина заробляння насіння, мм – 60-120; об’єм бункерів для насіння, м3 – 2х135; об’єм тукового ящика, м3 – 0,05; крок посадки, мм – 218, 242, 267, 291; продуктивність за годину основного часу, га/год – 0,18-0,375. Отримані результати дисертаційного дослідження впроваджено на ПАП «Маяк» та у навчальний процес в ТНТУ. За результатом розрахунку економічної ефективності встановлено, що річний економічний ефект складатиме 8850 грн/рік на одну машину. Розрахунковий термін окупності додаткових капіталовкладень – 0,45 роки.; Blashchak B.O. Substantiation of Design and Technological Parameters of a Universal Potato Planter. – Qualifying scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 133 Industrial Machinery Engineering. – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Ternopil, 2026. The thesis scientifically substantiates and experimentally confirms the efficiency of a universal potato planting machine featuring strip soil milling, discrete near-seed mineral fertilizer application, and a drum-type planting unit, which ensures improved planting quality and energy efficiency of the technological process. The introductory part of the thesis provides a substantiation of the relevance of the chosen topic, defines the aim of the work, and formulates the main objectives of the research. The scientific novelty of the work, its practical value, and the personal contribution of the applicant to obtaining the results are disclosed. Data on the approbation of the results obtained during the formation of the thesis, as well as information on the structure and scope of the work, are presented. To achieve the aim of the dissertation research, the following tasks were set and solved in the work: based on the analysis of modern potato planting technologies and designs of potato planting machines, the technological scheme of a universal potato planting machine was substantiated, combining strip soil milling, planting bed formation, discrete fertilizer application, and potato planting with step-by-step ridge formation; a theoretical model of the interaction between the rotary tiller blades and the soil was developed, and its rational kinematic parameters for strip milling were substantiated according to the criteria of energy efficiency and the formation of soil slices of optimal thickness; the kinematics of soil slice movement and the process of its interaction with the guide shroud of the milling drum were investigated, and the shape and position of the shroud were substantiated to ensure primary covering of potato seeds; a mathematical model of the operation process of the drum-type planting unit was developed, taking into account the stochastic distribution of tuber sizes and contact interaction, and the geometric parameters of the cells were substantiated under the conditions of minimal damage to the seed material; the design and parameters of the unit for discrete near-seed application of solid mineral fertilizers were substantiated, and the conditions for its kinematic and technological synchronization with the planting unit were investigated; a program and methodology for conducting laboratory and field experimental studies of the universal potato planting machine were developed; rational parameters of the mechanisms of the universal potato planter were established, and its economic efficiency during implementation into production was evaluated. The object of the study is the technological process of mechanized potato planting combining strip soil milling, discrete near-seed mineral fertilizer application, and tuber planting by the working parts of the universal potato planting machine. The subject of the study is the structural and kinematic parameters of the working parts of the universal potato planting machine and the regularities of their interaction with the soil, seed tubers, and mineral fertilizers during the potato planting process. The conducted scientific research increases the quality, energy, and technological efficiency of the potato planting process by obtaining new theoretical dependencies, on the basis of which the structural, kinematic, and technological parameters of the working parts of the universal potato planting machine are substantiated. On this basis, for the first time, a mathematical model of soil slice movement and its interaction with the guide shroud of the milling drum was developed, allowing the substantiation of its shape to improve the quality of seed covering; a theoretical model of the operation of a drum-type planting unit with internal cell placement was developed, taking into account the stochastic distribution of tuber sizes and contact interaction, on the basis of which rational cell parameters were substantiated; scientific provisions of the process of interaction between rotary tiller blades and soil were developed based on the elaboration of dependencies that functionally combine the kinematic parameters of the milling drum, soil slice thickness, and energy consumption of the process; theoretical provisions of mechanized near-seed mineral fertilizer application were further developed through the substantiated principle of discrete dosing and synchronization of the planting and fertilizer units; based on the results of experimental studies, regression equations of the influence of the structural and kinematic parameters of the potato planter on the quality indicators of the planting process were constructed, which allowed scientific substantiation and determination of their rational values according to the specified efficiency criteria. In the first chapter, a systems analysis of the current state of potato production in Ukraine and the world, the specifics of its cultivation on farms and household plots, as well as the level of mechanization of planting technological operations was performed. The biological and agrotechnical requirements of the culture for planting bed formation, soil structure, tuber planting depth, and localization of nutrients were considered. The main methods of potato planting were analyzed, and the feasibility of using the ridge method in mechanized technologies was substantiated. A classification and detailed analysis of the designs of potato planting machines and planting units were provided, and their main structural and technological deficiencies were identified. Based on the analysis of literature sources, serial, and promising designs, a technological scheme of a universal potato planting machine with strip soil milling, discrete mineral fertilizer application, and a drum-type planting unit was proposed. Based on the results of the chapter, the relevance of the topic, the aim, and the main objectives of the dissertation research were formulated. The second chapter is dedicated to the theoretical substantiation of the structural and technological parameters of the main working parts of the universal potato planting machine. Mathematical models of the interaction between the milling drum and the soil were developed, which allowed establishing the connection between the kinematic parameters of the blades' operation, soil slice thickness, and energy consumption during strip milling. It was established that at an operating speed of the machine unit of 0,833 m/s – 1,389 m/s, its rotation speed should be 211,3 rpm – 253,3 rpm, which ensures a field surface soil cloddiness of 10-30 mm, while the value of the kinematic operation mode indicator will be 5,3-4,5. The trajectories of soil slice movement were investigated, and a model of its interaction with the guide shroud of the milling drum was developed, allowing the substantiation of the shape and position of the shroud to ensure primary covering of potato seeds. A mathematical model of the operation of the drum-type planting unit was developed, taking into account the stochastic distribution of tuber sizes and contact interaction, on the basis of which geometric parameters of the cells and permissible kinematic regimes were substantiated: minimum cell radius of curvature – 0,046 mm, average – 0,053 mm, maximum – 0,061 mm; number of cells of the discharging drum – 14; when using a variable diameter wheel, potato planting steps of 0,218 mm, 0,242 mm, 0,267 mm, 0,291 mm are provided; at an operating speed of the machine unit of 1 m/s, the discharging drum will rotate at frequencies of: 19,6 rpm, 17,7 rpm, 16,1 rpm, 14,7 rpm; the installation angle of the potato drop limiter: minimum – 97,40, maximum – 100,80; the clearance between the limiter and the top of the cells – 8-12 mm. Analytical dependencies were also obtained to describe the process of conditionally discrete near-seed application of mineral fertilizers by a feed-roll unit, and the conditions for its kinematic and technological synchronization with the planting unit were established. The following were determined: feed roll diameter – 130 mm, ratio of the groove width to the land between the grooves – 0,4:0,6; number of grooves – 7; working length of the feed roll – 0,08 m; effective groove area – 290·10-6 m2 . In the third chapter, a program and methodology for experimental studies of the universal potato planting machine and its main working parts were developed. The structural layout of the machine prototype was presented, and the conditions for conducting laboratory and field tests were described. The selection of independent factors and their variation ranges for studying the operation of the milling module, the drum-type planting unit, and the discrete mineral fertilizer application unit was substantiated. Methods for measuring technological and planting quality indicators, as well as ridge formation parameters, were proposed. Experiment design schemes and methods of statistical processing of results were described, ensuring the reproducibility and reliability of experimental data and allowing verification of the adequacy of the obtained theoretical models. The fourth chapter contains the results of experimental studies of the main working parts of the universal potato planting machine under laboratory and field conditions. The influence of the kinematic parameters of the milling drum and the operating speed of the machine unit on the quality of strip soil milling and the quality of the planting process was investigated. The efficiency of the guide shroud of the milling drum regarding the primary covering of potato seeds with soil slices was experimentally confirmed. The results of studies on the operation of the drum-type planting unit are presented, characterizing the uniformity of the planting step, as well as the stability of tuber gripping and transportation. It was established that to achieve an average cloddiness of 19 mm at a minimum operating speed of the machine unit of 0,833 m/s, the rotation speed of the milling drum is 225 rpm, while the coefficient of variation of the tillage depth is 8%. The discrepancy between these frequencies found analytically and experimentally is 6,2%; the investigated operating parameters of the planting unit lie within the limits of agrotechnical requirements: for a specified planting step of 0,267 m, the relative deviations are up to 7,5%; the maximum percentage value of skips is up to 3,0%; the presence of doubles in a hill is 2,6%. Rational recommended parameters of the operating modes of the planting unit are: machine unit speed – 1,30 m/s; limiter installation angle – 960. The efficiency of discrete near-seed mineral fertilizer application was evaluated, and the coordinated operation of the fertilizer and planting units was confirmed. The experimental results confirmed the adequacy of the theoretical models. In the fifth chapter, a generalization of the results of theoretical and experimental studies was performed, and the rational parameters and operating modes of the mechanisms of the universal potato planting machine were substantiated. The optimal settings of the milling module, the planting unit, and the fertilizer application unit, ensuring the stable operation of the machine under field conditions, were determined. The synchronization of the planting and fertilizer units was investigated, and the possibility of stable conditionally discrete fertilizer application was confirmed. It was established that for a potato planting step of 0,267 mm the fertilizer scattering zone under the hill is 107 mm, and the fertilizer discharge timing needs to be phase-delayed by 330 relative to the potato drop. Based on the developed engineering methodologies, rational parameters were substantiated, and a prototype of the universal potato planter, protected by two utility model patents, was manufactured. The machine has the following main parameters: stepless adjustment of row spacing, mm – 600-700; seed covering depth, mm – 60-120; volume of seed hoppers, m3 – 2х135; volume of the fertilizer box, m3 – 0,05; planting step, mm – 218, 242, 267, 291; productivity per hour of main time, ha/h – 0,18-0,375. The obtained results of the dissertation research have been implemented at the Private Agricultural Enterprise (PAE) "Mayak" and into the educational process at TNTU. Based on the economic efficiency calculation, it was established that the annual economic effect will amount to 8850 UAH/year per machine. The estimated payback period of additional capital investments is 0,45 years. Опис: Подається на здобуття ступеня доктора філософії Дисертація містить результати власних досліджень. Використання чужих ідей, результатів і текстів мають посилання на відповідне джерело

Обгрунтування параметрів шнекового транспортера зернових матеріалів

2026-01-01T00:00:00Z

Назва: Обгрунтування параметрів шнекового транспортера зернових матеріалів Автори: Карп, Іван Володимирович; Karp, I. V. Короткий огляд (реферат): Карп І.В. «Обгрунтування параметрів шнекового транспортера зернових матеріалів». – 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, 2026 р. У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання підвищення технологічної ефективності процесу післязбиральної доробки зернових матеріалів шляхом розробки конструкції та обгрунтування раціональних параметрів робочих органів шнекового транспортера. Підвищення ефективності процесу досягається шляхом застосування малогабаритного мобільного транспортного гвинтового механізму. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та наведено завдання дослідження для її реалізації. 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 поставленої мети зведено до розв’язання таких науково- прикладних задач: - на основі проведеного аналізу відомих конструкцій гвинтових транспортних механізмів розробити конструктивну схему малогабаритного шнекового транспортера зернових матеріалів; - розробити математичні моделі, які функціонально описують процес переміщення зернового матеріалу в робочому просторі шнекового транспортера; - отримати аналітичні залежності для визначення продуктивності та витрат потужності шнекового процесу переміщення зерна робочими органами шнекового транспортера; - провести лабораторні експериментальні дослідження з визначення продуктивності, витрат потужності та пошкодження зерна пшениці в процесі його транспортування шнековим транспортером; - визначити економічну ефективність застосування шнекового транспортера у виробничих умовах. Об’єкт дослідження – технологічний процес роботи та робочі органи шнекового транспортера. Предмет дослідження – конструктивно-кінематичні параметри робочих органів і їх вплив на технологічні показники транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером. На основі проведених наукових досліджень обґрунтовано основні раціональні параметри робочих органів малогабаритного шнекового транспортера для транспортування зернових матеріалів. На цій підставі: - вперше отримано: - аналітичну математичну модель, яка функціонально описує перехідний процес динамічного переміщення зернового матеріалу по робочих поверхнях гвинтового конвеєра шнекового транспортера, яку записано в параметричній формі; - математичну модель, яка описує функціональний характер кінетики руху елементарної маси зернового матеріалу в міжвитковому просторі гвинтового конвеєра та кожуха; - рівняння регресії, які характеризують пошкодження зерна пшениці робочими органами шнекового транспортера залежно від технологічних і конструктивних параметрів процесу; - уточнено емпіричні моделі продуктивності та витрат потужності процесу транспортування зерна пшениці шнековим транспортером з врахуванням змінного кроку спіральних витків гвинтового конвеєра. У першому розділі наведено аналіз процесів переміщення сипких матеріалів гвинтовими транспортними механізмами, конструкцій робочих органів шнекових транспортерів, проаналізовано відомі результати теоретично- експериментальних досліджень процесів транспортування зернових матеріалів гвинтовими конвеєрами та обгрунтовано вибір конструкції шнекового транспортера для проведення досліджень. Для реалізації незначного обсягу переміщення зернового матеріалу на зернових токах невеликих багатогалузевих фермерських господарств запропоновано удосконалену схему мобільного малогабаритного шнекового транспортера. Основними вузлами шнекового транспортера є рама, на якій встановлено електродвигун, кожух, який являє собою напрямну циліндричну трубу, всередині якого встановлено шнековий конвеєр зі змінним кроком спіральних витків, які змонтовано на барабані 9. Крок спіральних витків збільшується в сторону вихідної зони вивантаження матеріалу або вихідної горловини. Зверху кожуха встановлено завантажувальний бункер. Вихідна горловина шнекового конвеєра обладнана шибером. На вхідному валу шнека змонтовано запобіжну муфту та приводний шків клинопасової передачі. У другому розділі наведено: - аналітичні викладення функціонального процесу динамічного переміщення зернового матеріалу у просторі кожуха шнекового транспортера для двох випадків його руху: І-го випадку, за якого тіло елементарної маси зернового матеріалу переміщується тільки по робочій поверхні спірального витка; ІІ-го випадку, коли тіло елементарної маси зернового матеріалу одночасно переміщується по робочій поверхні спірального витка та внутрішній поверхні кожуха; - теоретичний аналіз кінетики руху тіла елементарної маси зернового матеріалу у робочому просторі шнекового транспортера на основі дослідження функціональної зміни кінетичної енергії процесу переміщення тіла у міжвитковому просторі гвинтового конвеєра та процесу співудару двох тіл у просторі кожуха; - розробку аналітичних залежностей, які описують функціональну зміну продуктивності та витрат потужності під час транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером. За результатами теоретичного аналізу встановлено, що: - прискорення руху тіла елементарної маси зернового матеріалу по поверхні витка гвинтового конвеєра за зміни приросту кроку від 4 до 8 см змінюється в межах від 8,5 до 17,3 м/с2 для І-го випадку та від 6,3 до 15,52 м/с2 для II-го випадку, а за діаметра більшого за 0,2 м та кутової швидкості гвинтового конвеєра менше 10 рад/с тіло зернового матеріалу масою понад 0,1 кг втрачає контакт з поверхнею спірального витка; - кут відхилення тіла елементарної маси зернового матеріалу змінюється у діапазоні від 0 до 720, причому відхилення тіла в межах зміни кута від 450 до 720 залежно від збільшення діаметра та кроку гвинтового конвеєра має прямий характер, а в діапазоні від 0 до 450 – обернений характер; - сумарна кінетична енергія контактної взаємодії тіл елементарної маси зернового матеріалу збільшується в межах від 0,71 10-3 до 3,19 10-3 Дж залежно від збільшення маси тіла від 100 до 200 г та швидкості флуктуації від 1,0 до 1,5 м/с та в межах від 0,3 10-3 до 2,6 10-3 Дж – за збільшення коефіцієнта тертя від 0,4 до 0,8 та коефіцієнта відновлення від 0,3 до 0,9, а значні втрати енергії відбуваються під час транспортування тіла діаметром більшим за 2 мм, при цьому кінетична енергія стрімко зростає від 0,05 до 0,3 Дж за питомої маси зернового матеріалу більше 1300 кг/м3; - розраховані продуктивність і витрати потужності шнекового транспортера знаходяться в діапазоні, відповідно, від 3,0 до 76,5 (кг/хв) та від 22,0 до 232 Вт/хв в межах зміни діаметра від 0,15 до 0,25 м та частоти обертання від 100 до 300 об/хв за кроку спіральних витків гвинтового конвеєра 5, 10 і 15 см. У третьому розділі наведено програму, опис лабораторної експериментальної установки та методику проведення експериментальних досліджень шнекового транспортера зернових матеріалів. Програма проведення експериментальних досліджень процесу транспортування зерна пшениці шнековим транспортером передбачала: - спроектувати та виготовити макетний зразок розробленого шнекового транспортера зернових матеріалів; - для перевірки адекватності отриманої аналітичної моделі розробити емпіричну модель або емпіричне рівняння регресії, яке описує функціональні взаємозв’язки зміни продуктивності шнекового транспортера залежно від його основних конструктивно-кінематичних параметрів і вологості зернового матеріалу; - експериментально встановити характер і ступінь пошкодження зернового матеріалу в процесі його транспортування шнековим транспортером; - визначити витрати потужності під час транспортування зернового матеріалу шнековим транспортером залежно від параметрів процесу. В загальному для реалізації експериментів було розроблено структурну схему моделі проведення експериментальних досліджень на основі базових принципів поняття «чорної скрині». Для проведення експериментальних досліджень процесу транспортування зерна пшениці було застосовано лабораторну установку, основними базовими вузлами якої були електродвигун, шнековий транспортер, персональний комп’ютер і мультисистемний пристрій 9 Altivar 71 керування процесом роботи електродвигуна або, відповідно, шнекового транспортера. Для обгрунтування основних параметрів і режимів роботи шнекового транспортера провели експериментальні дослідження з визначення функціонального характеру зміни продуктивності, витрат потужності та пошкодження зерна пшениці в процесі його транспортування шнековим транспортером. В якості вхідних факторів було прийнято: площу вихідного отвору бункера, яку змінювали в межах від 10 до 40 см2; частоту обертання гвинтового конвеєра, яку змінювали в межах від 120 до 280 об/хв; вологість зерна, яку змінювали в межах від 12% до 18%; зазор між окрайкою витка гвинтового конвеєра та внутрішньою поверхнею кожуха, який змінювали в межах від 6 до 14 см. Експерименти провели для трьох кроків витків – 5, 8 та 11 см. 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: - продуктивності шнекового конвеєра: - витрат потужності під час транспортування зерна пшениці шнековим транспортером; - пошкодження зерна пшениці. За результатами проведення експериментів і оброблення експериментального масиву даних встановлено, що: - апроксимовані значення продуктивності та витрат потужності шнекового транспортера за зміни значень вхідних факторів у межах площі вихідного отвору бункера від 10 до 40 см2, частоти обертання гвинтового конвеєра від 120 до 280 об/хв та вологості зерна пшениці від 12% до 18% знаходяться в діапазоні, відповідно: - за кроку витків 5 см, від 5 до 46 кг/хв та від 77,6 до 180 Вт/хв; - за кроку витків 8 см від 10 до 63 кг/хв та 107,8 до 220,6 Вт/хв; - за кроку витків 11 см від 20 до 75 кг/хв та від 97,5 до 231,5 Вт/хв; - апроксимовані значення пошкодження зерна пшениці робочими органами шнекового транспортера за зміни значень вхідних факторів у межах частоти обертання гвинтового конвеєра від 120 до 280 об/хв, вологості зерна пшениці від 12% до 18% та зазору між крайкою витка та внутрішньою поверхнею кожуха від 6 до 14 мм знаходяться в діапазоні від 0,5% до 4,0 %, при цьому: - за кроку витків 5 см – від 1,1% до 4,0 %; - за кроку 8 см – від 0,6% до 2,6 %; за кроку 11,0 см – від 0,5% до 2,3%. Розбіжність теоретичних і експериментальних значень продуктивності та витрат потужності становить 5%-15%; За результатами дослідження рекомендовано такі раціональні значення основних параметрів шнекового транспортера, які забезпечують продуктивність шнекового транспортера в межах 60…75 кг/хв за витрат потужності 100…230 Вт/хв: - площа вихідного отвору бункера 40 см2; - зовнішній діаметр гвинтового конвеєра 0,2 м; - частота обертання гвинтового конвеєра 250…300 об/хв; - зазор між крайкою витка та зовнішньою поверхнею кожуха 8,0 см Річний економічний ефект, який досягнуто за рахунок підвищення технологічної ефективності післязбиральної доробки зернових матеріалів шнековим транспортером становить 2,77 грн/кг. Отримані результати впроваджено у виробничий процес фермерського господарства «Княже поле» (Рівненська область, с. Межиріч) та застосовуються у навчальному процесі кафедри конструювання верстатів, інструментів та машин ТНТУ ім. І. Пулюя під час вивчення дисципліни «Обладнання та транспортні засоби машинобудівних виробництв» для підготовки фахівців освітнього рівня бакалавр за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування.; Karp I.V. «Justification of the parameters of a screw conveyor for grain materials». – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering in the specialty 133 Industrial Mechanical Engineering. – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. The dissertation addresses a novel scientific problem of improving the technological efficiency of post-harvest handling of grain materials through the development of a screw conveyor design and the justification of rational parameters of its working elements. The improvement in process efficiency is achieved by implementing a compact mobile screw conveying mechanism. The introduction substantiates the relevance of the research topic, formulates the aim of the study, and defines the research objectives required for its achievement. The scientific novelty, practical significance of the obtained results, and the author’s personal contribution are presented. Information on the approbation and publication of research results, as well as the structure and scope of the dissertation, is provided. The achievement of the research objective is reduced to solving the following applied scientific tasks: ξ to develop a structural layout of a compact screw conveyor for grain materials based on an analysis of existing screw conveying mechanisms; ξ to develop mathematical models that functionally describe the process of grain material movement within the working space of the screw conveyor; ξ to obtain analytical relationships for determining the conveying capacity and power consumption of the screw conveying process; ξ to conduct laboratory experimental studies to determine conveying capacity, power consumption, and wheat grain damage during transportation by a screw conveyor; ξ to assess the economic efficiency of screw conveyor application under production conditions. The object of the study is the technological process and working elements of the screw conveyor. The subject of the study is the design and kinematic parameters of the working elements and their influence on the technological performance of grain transportation by a screw conveyor. Based on the conducted research, rational parameters of the working elements of a compact screw conveyor for grain transportation have been substantiated. For the first time, the following results were obtained: ξ an analytical model of the dynamic process of grain material movement along the working surfaces of a screw conveyor; ξ a mathematical model describing the functional characteristics of the kinematics of an elementary mass of grain material in the inter-flight space between the screw conveyor and the casing; ξ regression equations characterizing wheat grain damage as a function of technological and design parameters of the screw conveying process; ξ refined empirical models of conveying capacity and power consumption of wheat grain transportation by a screw conveyor, taking into account a variable pitch of the screw flights. Chapter 1 presents an analysis of bulk material conveying processes using screw mechanisms, designs of screw conveyor working elements, and known theoretical and experimental research results on grain transportation by screw conveyors. The selection of the screw conveyor design for experimental investigations is substantiated. To handle relatively small volumes of grain at grain handling facilities of small multi-profile farms, an improved layout of a mobile compact screw conveyor is proposed. The main units of the conveyor include a frame with an electric motor, a cylindrical casing acting as a guide tube, and a screw conveyor with variable-pitch flights mounted on a drum. The pitch of the screw flights increases toward the discharge zone. A feed hopper is installed above the casing, and the discharge outlet is equipped with a slide gate. A safety clutch and belt drive pulley are mounted on the screw input shaft. Chapter 2 presents: ξ analytical descriptions of the functional process of dynamic grain movement inside the screw conveyor casing for two cases: ξ movement of the elementary grain mass only along the screw flight surface; ξ simultaneous movement along the screw flight surface and the inner surface of the casing; ξ a theoretical analysis of grain motion kinematics based on variations in kinetic energy within the inter-flight space and impact interactions inside the casing; ξ analytical dependencies describing the functional variation of conveying capacity and power consumption during grain transportation. Theoretical analysis established that: ξ acceleration of grain movement along the screw flight surface varies from 8.5 to 17.3 m/s² for case I and from 6.3 to 15.52 m/s² for case II when the pitch increment changes from 4 to 8 cm; at a screw diameter exceeding 0.2 m and angular velocity below 10 rad/s, grain particles with mass above 0.1 kg lose contact with the flight surface; ξ the angular deviation of the elementary grain mass varies from 0 to 72°, exhibiting direct dependence on diameter and pitch increase in the range 45–72°, and inverse dependence in the range 0–45°; ξ the total kinetic energy of contact interaction increases from 0.71×10⁻³ to 3.19×10⁻³ J with increasing particle mass and velocity fluctuation, and significant energy losses occur when transporting particles larger than 2 mm; ξ calculated conveying capacity and power consumption range from 3.0 to 76.5 kg/min and from 22.0 to 232 W, respectively, for screw diameters of 0.15–0.25 m and rotational speeds of 100–300 rpm with screw pitches of 5, 10, and 15 cm. Chapter 3 describes the experimental program, laboratory test rig, and methodology of experimental investigations. A prototype of the developed screw conveyor was designed and manufactured. Empirical regression models were developed to verify the adequacy of the analytical model. Experimental studies determined grain damage and power consumption as functions of operating parameters. The experiments were designed using factorial experimental planning methods. Data processing was carried out using regression and correlation analysis techniques. Chapter 4 presents the experimental results. Regression equations describing conveying capacity, power consumption, and wheat grain damage were obtained. The discrepancy between theoretical and experimental results was within 5–15%. Recommended rational parameters ensuring a conveying capacity of 60–75 kg/min at power consumption of 100–230 W include: ξ hopper outlet area: 40 cm²; ξ screw outer diameter: 0.2 m; ξ screw rotational speed: 250–300 rpm; ξ clearance between flight edge and casing: 8,0 сm. The annual economic effect achieved through improved technological efficiency of post-harvest grain handling amounts to 2.77 uah/kg. The results obtained were implemented in the production process of the farm "Knyazhe Pole" (Rivne region, village of Mezhyrich) and used in the educational process of the Department of Design of Machine Tools, Instruments and Machines of the I. Pulyuy National Technical University during the study of the discipline "Equipment and Vehicles of Machine-Building Industries" for the training of specialists with a bachelor's degree in specialty 133 Industrial Mechanical Engineering. Опис: Подається на здобуття ступеня доктора філософії. Дисертація містить результати власних досліджень, використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело

Удосконалення конструкції кавітаційного апарата за результатами моделювання гідродинамічних параметрів потоку

2026-01-01T00:00:00Z

Назва: Удосконалення конструкції кавітаційного апарата за результатами моделювання гідродинамічних параметрів потоку Автори: Вітенько, Дмитро Олегович; Vitenko, D. O. Короткий огляд (реферат): Вітенько Д.О. Удосконалення конструкції кавітаційного апарата за результатами моделювання гідродинамічних параметрів потоку. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 133 галузеве машинобудування. Тернопільський національний університет імені Івана Пулюя МОН України, м. Тернопіль, 2026 р. У дисертаційній роботі вирішено нове науково-практичне завдання удосконалення конструкції кавітаційного апарата статичного типу на основі результатів моделювання гідродинамічних параметрів потоку з метою підвищення інтенсивності та енергоефективності кавітаційної обробки технологічних середовищ. У дисертаційному дослідженні було поставлено такі завдання. Виконано аналіз сучасних досліджень, присвячених застосуванню гідродинамічної кавітації у виробництві, підходам до моделювання кавітаційних течій та конструктивним рішенням апаратів по типу труби Вентурі. На основі аналізу існуючих конструкцій кавітаційних апаратів запропоновано удосконалену геометрію внутрішнього каналу та вставок, що підлягали дослідженню. Створено тривимірні (3D) геометричні моделі досліджуваних конфігурацій апарата та задано розрахункові області для моделювання. Обґрунтовано постановку моделі, що включала вибір фізичних припущень, граничних умов, параметрів дискретизації та кавітаційної моделі для течії нестисливої робочої рідини. Виконано чисельні розрахунки в SolidWorks Flow Simulation (2019-2020) для обраних конструктивних варіантів та отримано розподіли тиску, швидкості й об’ємної частки парової фази. Проаналізовано вплив геометрії внутрішнього каналу (діаметр горловини, форма і положення вставок) на гідродинамічні параметри потоку та кавітаційні характеристики (локалізацію і протяжність двофазної зони, об’єм парової фази, гідравлічні втрати). Виконано валідацію результатів чисельного моделювання за 3 експериментальними даними (перепад тиску, витрата, візуальні ознаки двофазності). Проведено прикладні експериментальні дослідження щодо ефективності удосконалених конструкцій на реальних об’єктах (гомогенізація молока, зміна фізико-хімічних параметрів води) та виконано порівняння ефективності досліджуваних конфігурацій апарата. На основі отриманих результатів сформульовано інженерні рекомендації щодо застосування кавітаційних апаратів у промисловості. Об’єктом дослідження є конструкція кавітаційного апарата статичного типу зі змінною геометрією проточної частини на базі труби Вентурі. Предметом дослідження є закономірності впливу конструктивної конфігурації проточної частини апарата на гідродинамічні параметри та фазовий склад потоку, встановлені шляхом чисельного моделювання, що складають наукову основу для оцінки ефективності конструктивних модифікацій та енергодоцільності кавітаційного обладнання Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень дали змогу обґрунтувати удосконалену конструкцію кавітаційного апарата та розробити комплекс практичних рішень для впровадження запропонованих модифікацій у виробництво, зокрема критерії вибору модифікацій за показниками інтегральної двофазності та питомої енергоефективності η∗. Розроблено інженерні рекомендації щодо удосконалення вузла карбонізації лінії солодких напоїв для Тернопільської пивоварні «Опілля» та модульної компоновки кавітаційних апаратів для гомогенізації молока. З огляду на це вперше реалізовано та апробовано CFD-модель кавітаційної течії для удосконаленого статичного кавітаційного апарата на основі 3D CAD- моделей конфігурацій внутрішнього каналу (базова, з конусною або шнековою вставками). Встановлено вплив конфігурації проточної частини апарата на розподіл тисків, швидкостей, об’ємної частки пари та протяжності двофазної ділянки, що забезпечило коректне порівняння запропонованих модифікацій. 4 Удосконалено метод порівняльного аналізу та вибору конфігурацій шляхом застосування інтегральної оцінки двофазності за сумарним об’ємом парової фази і показником питомої кавітаційної ефективності. Набули подальшого розвитку закономірності гідродинаміки в кавітаційних апаратах по типу труби Вентурі, що дозволяють прогнозувати ділянки максимальної активності парової фази залежно від геометрії внутрішнього каналу. У першому розділі дисертаційної роботи здійснено аналіз і узагальнення науково-технічних джерел, присвячених гідродинамічній кавітації та конструкціям кавітаційних апаратів проточного типу. Систематизовано фізичні передумови ініціювання й розвитку кавітації у звужувально-розширювальних каналах, а також критерії, які застосовують для порівняння апаратів за інтенсивністю кавітаційних проявів та гідравлічними характеристиками. Розглянуто механізми кавітаційної дії на технологічні об’єкти та чинники, що визначають реалізацію технологічного ефекту. Проаналізовано підходи до математичного й чисельного опису кавітаційних течій, зокрема моделі динаміки бульбашки, емпіричні залежності та CFD-постановки кавітації як двофазної течії з фазовим переходом, і окреслено їхні можливості та обмеження в задачах дослідження гідродинаміки, фізики кавітації та інженерного зіставлення статичних апаратів проточного типу. За результатами огляду сформовано вихідні положення для вибору об’єкта та методики дослідження, обґрунтовано постановку мети й визначено завдання дисертаційної роботи. У другому розділі дисертаційної роботи наведено об’єкти та методику досліджень і визначено вихідні положення для подальшого аналізу гідродинамічних і кавітаційних характеристик удосконаленого кавітаційного апарата. Задано геометрію внутрішнього каналу апарата та обґрунтовано прийняті конструктивні зміни. Обґрунтовано застосування CFD-моделювання в середовищі SolidWorks Flow Simulation (EDU 2019-2020) із використанням двопараметричної моделі турбулентності k -ε та однорідної рівноважної моделі суміші “рідина-пара” 5 (HEM, equilibrium). Показано, що прийнята постановка є достатньою для інженерних задач порівняння геометрій внутрішнього каналу статичних апаратів. У межах HEM критерій кавітації (утворення парової фази) задавали умовою p

Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів малогабаритного самохідного обприскувача

2025-01-01T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів малогабаритного самохідного обприскувача Автори: Левицький, Богдан Богданович Короткий огляд (реферат): Левицький Б.Б. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів малогабаритного самохідного обприскувача. – 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 МОН України, м. Тернопіль, 2025 р. У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання підвищення ефективності хімічного захисту рослин шляхом удосконалення конструкції малогабаритного обприскувача з обґрунтуванням конструктивно- технологічних параметрів пневмогідравлічної системи живлення розпилюючих пристрої та стабілізації штанги. 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 дисертаційної роботи. Для реалізації мети дисертаційного дослідження у роботі поставлені та вирішені наступні задачі. На основі відомих конструкцій малогабаритних обприскувачів запропоновано удосконалену конструктивну схему самохідного обприскувача з маятниковою підвіскою штанги. Розроблено теоретичні моделі, які описують напружено-деформований стан бака обприскувача, що транспортує робочу рідину та витісняє її при наявності надлишкового тиску, а також динамічні моделі кутових та вертикальних коливань штанги обприскувача у системі маятникової підвіски з доданою масою. Для реалізації наукових досліджень виготовлено малогабаритний самохідний штанговий обприскувач та проведено його польові випробування. Реалізовані експериментальні дослідження міцності бака та кінематичних параметрів штанги обприскувача, які добре корелюють з виконаними аналогічними теоретичними дослідженнями, в тому числі, і при застосуванні імітаційного моделювання. Об’єктом дослідження є процес обприскування малогабаритним самохідним штанговим обприскувачем з маятниковою підвіскою та пневмогідравлічною системою живлення розпилюючих пристроїв. Предметом дослідження є взаємозв’язки між параметрами і режимами експлуатації обприскувача, їх вплив на міцність бака та стабілізаційні властивості підвіски штанги, яка забезпечує рівномірне нанесення робочого препарату на оброблювану поверхню. Проведення окреслених наукових досліджень дозволило підвищити ефективність хімічного захисту рослин через обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів пневмогідравлічної системи живлення розпилюючих пристроїв та стабілізації штанги обприскувача. На цій підставі вперше розроблено динамічні моделі коливання штанги малогабаритного самохідного обприскувача у системі маятникової підвіски із штучно збільшеною масою штанги; математичну модель, що описує напружено-деформований стан циліндричного вертикально розміщеного бака обприскувача у пневмогідравлічній системі живлення розпилюючих пристроїв штанги та дозволяє встановити вплив на загальний напружено-деформований стан оболонки краєвого ефекту при навантаженні півеліптичних його днищ; отримали подальший розвиток теоретичні залежності, що обґрунтовують вплив положення штанги на рівномірність та ефективність обприскування. У першому розділі дисертаційної роботи виконано аналіз доцільності створення малогабаритного самохідного обприскувача для обслуговування технологічних процесів вирощування культур у невеликих фермерських чи підсобних господарствах. Проведено аналіз наявних малогабаритних обприскувачів, які відрізняються за способом агрегатування, функціональним призначенням, вказано на сфери їх застосування, затрати ручної праці, переваги та недоліки. Такий аналіз дозволив сформувати ідею створення малогабаритного самохідного обприскувача, для якого були висунуті критерії для реалізації. Також в цьому розділі розглянуто конструкції ключових вузлів малогабаритних обприскувачів та проведено теоретичний аналіз залежностей, які показують вплив положення штанги на можливість нанесення робочого препарату на оброблювану площу. Розвинуто залежності, на основі яких можна встановити ступінь нерівномірності обприскування, що залежить від положення штанги по висоті над об’єктом обробки. Всі ці чинники дозволили сформулювати основні задачі дисертаційного дослідження. В другому розділі побудовано теоретичні моделі, які дозволяють обґрунтувати конструктивні та технологічні параметри розглядуваних систем. На першому етапі дослідження розроблено теоретичну модель на основі безмоментної теорії оболонок, яка дозволяє оцінити напружено-деформований стан циліндричного бака обприскувача, що працює у пневмогідравлічній системі живлення розпилюючих пристроїв штанги. На основі таких досліджень були визначені колові та меридіональні напруження у циліндричній стінці бака, встановлено допустимий внутрішній тиск з умови міцності конструкції, він склав [p ]1,07 МПа. Циліндрична частина бака обприскувача обмежена півеліптичними днищами. Утворену оболонку описано теоретичною моделлю, яка дозволяє оцінити напружений стан днищ з врахуванням впливу краєвого ефекту на загальний напружено-деформований стан бака. Розвинуто теоретичні моделі та отримано вирази, які описують та враховують вплив гідростатичного тиску робочої рідин, що міститься у баку машини, на загальний напружений стан оболонки. Описано принципову схему утворення маятникової підвіски зі штучно збільшеною масою штанги та на цій основі побудовано теоретичну модель, яка описує коливні процеси штанги. Розвинуті теоретичні моделі дозволяють дослідити кінематичні параметри кутових та вертикальних коливань штанги при різних її положеннях по висоті та ступеня заповненості бака робочою рідиною як доданої маси штанги. У третьому розділі описано конструктивні особливості дослідного зразка виготовленого обприскувача, складено його технічну характеристику. Серед виділених основних параметрів машини є: ширина захвату – 5 м; діапазон висоти встановлення штанги – 350-1100 мм; діапазон зміни ширини колії – 900-1500 мм; продуктивність за годину основного часу – 1,8-2,7 га/год. Складено програму та описано методику проведення експериментальних досліджень. Для підтвердження результатів теоретичних розрахунків в окресленій постановці завдання прийнято план та побудовано матрицю повного факторного експерименту типу N= 3². У четвертому розділі наведено результати польових та експериментальних досліджень дослідного зразка малогабаритного обприскувача. При виконанні польових випробувань на чистих парах при внесенні ґрунтового гербіциду, при обробці просапних культур, роботі у садах із застосуванням додаткової ручної штанги – обприскувач засвідчив свою високу технологічну ефективність. При проведенні експериментальних досліджень, які були розділені на кілька етапів, отримали результати напруженого стану бака обприскувача при різних його навантаженнях. Результати експерименту підтвердили теоретичні розрахунки. Розбіжність значень отриманих напружень у циліндричній стінці бака склали: для колових напружень – відносна похибка 5,39 % ; для меридіональних – 3,5 %. Аналогічним чином були проведені експериментальні дослідження кінематичних параметрів коливання штанги на розробленій маятниковій підвісці. Отримані значення прискорень на краю секції штанги добре корелюють з прискореннями, що знайдені за результатами теоретичного моделювання коливного процесу. Розбіжність результатів теоретичного розрахунку та експериментальних даних складає 8,8%. Також при проведенні експериментальних досліджень було виконано порівняльний аналіз, за прискореннями, ефективності роботи підвіски штанги при закріпленні штанги на маятниковій підвісці та при умовно жорсткому кріплені (робота маятника була заблокованою). Отриманий ефект використання маятникової підвіски для даного режиму експлуатації обприскувача (повний бак, швидкість 4,5 км/год, рельєф умовно складний) знижує вертикальні прискорення у 1,7 рази. Це позитивно відображається на стабільності положення штанги, зниженні дії на неї динамічних сил та збереженні ресурсу роботи. У п’ятому розділі дисертаційного дослідження наведено ряд методик для оцінки напружено-деформованого стану бака обприскувача при повному його навантаженні. Виокремлено вплив дії гідростатичного тиску робочої рідни на загальний напружений стан бака та встановлено, що його питома частка не перевищує 1,51%. Це означає, що визначальним для роботоздатності бака як оболонки, що працює під тиском, є тільки значення внутрішнього надлишкового тиску. В цьому розділі отримано ряд графічних залежностей оцінки напружено-деформованого стану бака в цілому. Крім того, аналогічні результати отримано при використанні прикладних програм 3-D моделювання, таких як SolidWorks2019 у модулі Simulation. Збіжність результатів складає більше 99%. При дослідженні ефективності використання маятникової підвіски штанги обприскувача отримано ряд графічних залежностей, які характеризують кінематичні параметри роботи такої підвіски. Для отримання окремих результатів було змодельовано таку систему у програмі SolidWorks, звідки отримано як вихідні дані моменти інерції для теоретичного розрахунку. Тоді за результатами дослідження отримано амплітуди, швидкості та прискорення для кутових та вертикальних коливань штанги. Визначено частоти власних та вимушених коливань штанги на маятниковій підвісці, зроблено висновки про неможливість виникнення резонансних режимів. Частоти власних та вимушених коливань відрізняються на різних режимах по-різному, але не менше як у 3,6 рази. Також пророблене питання економічної ефективності розробленого малогабаритного обприскувача, річний економічний ефект складає 15111,4 грн/рік на одну машину, розрахунковий термін окупності – 2,84 роки. Конструкцію підвіски штанги малогабаритного самохідного обприскувача захищено деклараційним патентом на корисну модель №157047 U, результати дисертаційного дослідження використовуються ТОВ «Плотича Агро» при проєктуванні сільськогосподарських машин, а також в навчальному процесі Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя.; Levitskyi B.B. Justification of structural and technological parameters of a small-sized self-propelled sprayer. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering, specialty 133 Industrial Engineering. Ternopil Ivan Puluj National Technical University MES of Ukraine, Ternopil, 2025. In the dissertation, a new scientific task was solved to increase the efficiency of chemical plant protection by improving the design of a small-sized sprayer with the justification of the structural and technological parameters of the pneumohydraulic power supply system for spraying devices and stabilizing the rod. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal and sets the task of the study. The scientific novelty, practical significance of the obtained results are described and the personal contribution of the applicant in the conducted studies is given. Information on testing and publication of the results of scientific research, the structure and volume of the dissertation work are provided. To realize the purpose of the dissertation research, the following tasks are set and solved in the work. On the basis of known designs of small-sized sprayers, an improved structural scheme of a self-propelled sprayer with a pendulum suspension of a rod is proposed. Theoretical models have been developed that describe the stress-strain state of the sprayer tank, transporting the working fluid and displacing it in the presence of excess pressure, as well as dynamic models of angular and vertical vibrations of the sprayer rod in the pendulum suspension system with added mass. For the implementation of scientific research, a small-sized self-propelled rod sprayer was manufactured and its field tests were carried out. Experimental studies of tank strength and kinematic parameters of the sprayer rod were implemented, which work well with similar theoretical studies performed, including the use of simulation modeling. The object of the study is the spraying prosses of a small-sized self-propelled rod sprayer with a pendulum suspension and a pneumohydraulic power supply system for the spraying devices. The subject of the study is the relationship between the parameters and operating modes of the sprayer, their effect on the strength of the tank and the stabilization properties of the rod suspension, which ensures uniform application of the working preparation to the treated surface. Carrying out outlined scientific researches made it possible to increase efficiency of chemical protection of plants through substantiation of rational structural and technological parameters of pneumohydraulic power supply system of spraying devices and stabilization of the sprayer rod. On this basis, dynamic models of oscillation of the rod of a small-sized self-propelled sprayer in a pendulum suspension system with an artificially increased rod mass were first developed; a mathematical model describing the stress-strain state of the vertically oriented cylindrical sprayer tank in the pneumohydraulic power supply system of the rod spraying devices and allowing to investigate the effect on the general stress-strain state of the shell of the edge effect when loading the bottoms; theoretical dependencies substantiating the influence of the rod position on the uniformity and efficiency of spraying were further developed. In the first section of the dissertation, an analysis of the feasibility of creating a small-sized self-propelled sprayer for servicing the technological processes of growing crops in small farms or subsidiary farms was carried out. An analysis of the available small-sized sprayers, which differ in the method of aggregation, functional purpose, indicated the scope of their application, manual labor costs, advantages and disadvantages. Such an analysis made it possible to form the idea of creating a small self-propelled sprayer, for which criteria for implementation were put forward. Also in this section, the designs of key units of small-sized sprayers are considered and a theoretical analysis of dependencies is carried out, which show the influence of the position of the rod on the possibility of applying the working preparation to the treated area. Dependencies are developed, on the basis of which it is possible to establish the degree of unevenness of spraying, depending on the position of the rod in height above the object of processing. All these factors made it possible to formulate the main tasks of the dissertation research. The second section builds theoretical models that make it possible to justify the design and technological parameters of the systems under consideration. At the first stage of the study, a theoretical model was developed on the basis of a moment-free theory of shells, which allows us to assess the stress-strain state of the cylindrical sprayer tank operating in the pneumohydraulic power supply system of the rod spraying devices. Based on such studies, circular and meridional stresses were determined in the cylindrical wall of the tank, the permissible internal pressure was established based on the strength of the structure, it was 1.07 MPa. Cylindrical part of the sprayer tank is limited by semi-elliptical bottoms. The resulting shell is described by a theoretical model, which makes it possible to assess the stress state of the bottoms, taking into account the influence of the edge effect on the overall stress-strain state of the tank. Theoretical models have been developed and expressions have been obtained that describe and take into account the influence of the hydrostatic pressure of the working fluids contained in the machine tank on the general stressed state of the shell. The basic scheme of formation of the pendulum suspension with artificially increased mass of the rod is described and on this basis a theoretical model is built that describes the oscillatory processes of the rod. Developed theoretical models allow us to explore the kinematic parameters of angular and vertical vibrations of the rod at its various positions in height and the degree of filling of the tank with working fluid as the added mass of the rod. The third section describes the design features of the prototype of the manufactured sprayer, its technical characteristics are compiled. Among the selected main parameters of the machine are: the width of the capture - 5 m; bar installation height range – 350-1100 mm; gauge range – 900-1500 mm; performance per hour of normal time -1.8-2.7 ha/h. A program has been compiled and the methodology for conducting experimental studies has been described. To confirm the results of theoretical calculations in the outlined statement of the problem, a plan was adopted and a matrix of a complete factor experiment, such as, N 3^2 . The fourth section presents the results of field and experimental studies of a prototype of a small-sized sprayer. When performing field tests on pure vapors when applying a soil herbicide, when processing hoed crops, working in gardens with the use of an additional hand rod - the sprayer proved its high technological efficiency. During experimental studies, which were divided into several stages, the results of the stressed state of the sprayer tank were obtained at different loads. The results of the experiment confirmed the theoretical calculations. The difference in the values of the obtained stresses in the cylindrical wall of the tank was: for circular stresses - relative error 5.39 %; for meridional – 3.5%. Similarly, experimental studies of the kinematic parameters of the rod oscillation on the developed pendulum suspension were carried out. The obtained values of accelerations at the edge of the bar section are well crowned with accelerations found from the results of theoretical modeling of the oscillatory process. The discrepancy between the results of theoretical calculation and experimental data is 8.8%. Also, during experimental studies, a comparative analysis was carried out, according to accelerations, of the effectiveness of the rod suspension when the rod was fixed on the pendulum suspension and conditionally rigidly attached (the pendulum was blocked). The obtained effect of using a pendulum suspension for this mode of operation of the sprayer (full tank, speed 4.5 km/h, the relief is conditionally complex) reduces vertical acceleration by 1.7 times. That positively affects the stability of the position of the bar, reducing the action of dynamic forces on it and preserving the resource of work. The fifth section of the dissertation study provides a number of methods for assessing the stress-strain state of the sprayer tank at its full load. The influence of the hydrostatic pressure of the working fluid on the general stressed state of the tank is allocated and it is established that its specific share does not exceed 1.51%. This means that only the value of internal overpressure is decisive for the operability of the tank as a pressure shell. In this section, a number of graphical dependencies of the assessment of the stress-strain state of the tank as a whole are obtained. In addition, similar results are obtained using 3D modeling applications, such as SolidWorks2019 in the Simulation module. The convergence of the results is more than 99%. When studying the effectiveness of the pendulum suspension of the sprayer rod, a number of graphic dependencies were obtained that characterize the kinematic parameters of the operation of such a suspension. To obtain individual results, such a system was modeled in the SolidWorks program, from where the moments of inertia for the theoretical calculation were obtained as initial data. Then, according to the results of the study, amplitudes, velocities and accelerations for angular and vertical oscillations of the rod were obtained. The frequencies of natural and forced oscillations of the rod on the endulum suspension were determined, conclusions were drawn about the impossibility of resonance modes. Natural and forced oscillation frequencies differ at various modes in different ways, but not less than 3.6 times. Also worked out the question of the economic efficiency of the developed small-sized sprayer, the annual economic effect is 15111.4 UAH/year per car, the estimated payback period is 2.84 years. The design of the suspension rod of a small-sized self-propelled sprayer is protected by a declaration patent for a utility model No. 157047 U, the results of the dissertation research are used by Plotycha Agro LLC in the design of agricultural machines, as well as in the educational process of Ternopil Ivan Puluj National Technical University.

Обґрунтування параметрів картоплезбиральної машини з комбінованим активним лемешем

2025-01-01T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування параметрів картоплезбиральної машини з комбінованим активним лемешем Автори: Головецький, Іван Васильович; Golovetskyi I.V., I.V. Короткий огляд (реферат): Головецький І.В. Обґрунтування параметрів картоплезбиральної машини з комбінованим активним лемешем. – 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 МОН України, м. Тернопіль, 2025 р. У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання підвищення ефективності збирання картоплі при обґрунтуванні параметрів комбінованого активного лемеша в системі однорядного картоплекопача. 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 дисертаційної роботи. Для реалізації мети дисертаційного дослідження у роботі поставлені та вирішені наступні задачі: провести аналіз конструктивних особливостей однорядних картоплекопачів, їх підкопуючих робочих органів, та на цій основі запропонувати удосконалену конструкцію комбінованого активного лемеша з розширеними можливостями щодо підкопування та транспортування бульбоносного пласту ґрунту; розробити теоретичні моделі для визначення кінематичних параметрів багатоланкового механізму лемеша та дослідити умови направленого руху частинки бульбоносного пласта на його коливній лощині; розробити модель для дослідження приведеного моменту інерції механізму приводу вібраційного лемеша картоплекопача; розробити модель для визначення енергетичних затрат на процес відділення та підкопування бульбоносного пласту ґрунту; виготовити однорядну картоплезбиральну машину з вібраційним лемешем та активними боковинками, провести її польові випробування, зробити оцінку якісних показників роботи; скласти план та провести експериментальні дослідження щодо визначення тягового опору та споживаної потужності для приводу робочих органів картоплекопача. Об’єктом дослідження є процес підкопування картопляної грядки комбінованим активним лемешем в системі однорядного картоплекопача. Предметом дослідження є взаємозв’язки між кінематичними, конструктивними та енергетичними параметрами активного комбінованого лемеша при підкопуванні пласта ґрунту картопляної грядки. Науковим результатом дисертаційного дослідження є отримання якісно нових теоретичних залежностей, на основі яких отримано раціональні конструктивні та кінематичні параметри комбінованого активного лемешем в системі однорядного картоплекопача, що дозволило підвищити ефективність підкопування картоплі. На цій підставі вперше розроблено: теоретичну модель, яка описує кінематику багатоланкового механізму лемеша з активними боковинками та дозволяє досліджувати умови направленого руху частинки бульбоносного пласта на його коливній площині; математичні моделі для визначення енергетичних затрат на процес відділення та підкопування бульбоносного пласту ґрунту комбінованим активними лемешем; отримали подальший розвиток теоретичні залежності для дослідження приведеного моменту інерції механізму приводу вібраційного лемеша картоплекопача. У першому розділі дисертаційної роботи виконано аналіз конструкцій картоплекопачів, який вказує, що на практиці застосовуються багато різних типів картоплезбиральних машин з пасивними напівактивними та активними лемешами. Кожен з них призначений для заданих умов роботи та забезпечує певну ефективність. Разом з тим, спостерігаються і недоліки, які пов’язані з обмеженою функціональною здатністю, наявністю значних вібрацій, обмеженість роботи у складних умовах. Наведена проблематика спонукала розробити нову конструкцію картоплекопача в частині комбінованого активного лемеша. Особливістю конструкції є те, що леміш закріплений на двох парах підвісів, що мають регульовану довжину та забезпечують можливість заданого направленого руху частинки бульбоносного пласту площиною лемеша; передні підвіси виконані заодно із активними боковинками, які здійснюють коливні рухи у протифазі до зворотно-поступального руху лемеша, що значно зрівноважує механізм, а їх проникнення у ґрунт дозволяє відділяти підкопуваний пласт від основного масиву; в якості кривошипа використано зрівноважувальний маховик з регульованим шарніром для приєднання шатуна, що забезпечує можливість зміни радіуса кривошипа, а від того і амплітуди коливань лемеша. Наведені чинники направлені на підвищення ефективності підкопування картоплі при збиранні, особливо для більш складних умов роботи та дозволили сформувати основні задачі дисертаційного дослідження. У другому розділі запропоновано принципову схему вібраційного лемеша, для якого побудовано кінематичну схему та описано теоретичною моделлю, що базується на методі замкнених векторних контурів. Аналіз кінематичних параметрів утвореного механізму дозволив отримати скореговану кінематичну схему механізму лемеша як теоретичного прототипу фізичній конструкції комбінованого активного лемеша. Використовуючи графоаналітичний метод планів, отримано кінематичні параметри для характерних точок лемеша та його активних боковинок. Для отриманих значень переміщень, швидкостей та прискорень, крім скалярних значень, визначені їх напрямки, що є важливим чинником для аналізу направленого руху пласта ґрунту на площині лемеша; Побудовано теоретичну модель, яка дозволяє для визначеного кінематичного режиму роботи лемеша проаналізувати значення діючих сил на частинку бульбоносного пласту, що знаходиться на площині лемеша, та визначити напрямок можливого її руху. Такий підхід дозволяє моделювати направлений рух бульобоносного пласту на площині лемеша, змінюючи частоту обертання і радіус кривошипа, довжини задніх підвісів та кут встановлення лемеша до горизонту. Побудована теоретична модель описує закон руху механізму лемеша та базується на теоремі про зміну кінетичної енергії, дозволяє визначити приведений момент інерції приводного механізму вібраційного лемеша, який лежить в основі оцінки енергетичних затрат на привод даного робочого органу. У третьому розділі на основі проведених теоретичних досліджень окремих конструктивних та кінематичних параметрів та, аналізуючи досвід аналогічних рішень, що стосуються такого типу машин, та відповідно до розробленої програми експериментальних досліджень було виготовлено дослідний зразок однорядного картоплекопача з комбінованим активним лемешем, для якого встановлені основні технічні характеристики та регулювальні параметри: швидкість руху агрегату – 0,83–1,4 м/с; діапазон регулювань амплітуд коливань лемеша – 5,5 мм; 11,6 мм; 17,3 мм; установочний кут нахилу лемеша – 12°; 14°; 16°; розрахункова продуктивність при міжряддях 0,7 м – 0,21-0,35 га/год. Описано методику та технічне забезпечення для проведення експерименту. Сплановано повний факторний експеримент типу 3^2, для якого складено матрицю експерименту, записано рівняння квадратичної регресії та вирази для визначення її коефіцієнтів. У четвертому розділі описано проведення польових експериментальних досліджень відповідно до програми та затвердженої методики. Тут показано розроблене відповідне приспосіблення для визначення тягового опору картоплекопача, його монтаж на машині; для визначення потужності приводу – моментомір, що введено в ланку карданного валу, який з’єднує вихідний вал ВВП трактора та конічний редуктор картоплекопача з контролем частоти обертання ВВП лазерним тахометром. При реалізації експериментальних досліджень щодо визначення тягового опору картоплекопача було розроблено план експерименту типу 3^2, незалежними факторами якого були: поступальна швидкість – 0,6 м/с, 1,0 м/с, 1,4 м/с; частота коливань лемеша – 5,0 Гц, 6,0 Гц, 7,0 Гц. Результатом є отримання значень тягового опору в межах 7,59 - 10,27 кН у залежності від режиму роботи лемеша та поступальної швидкості картоплекопача. Описано проведення експериментальних досліджень при визначенні моменту приводу робочих органів картоплекопача, де за незалежні фактори прийнято частоту коливань лемеша – 5,0 Гц, 6,0 Гц, 7,0 Гц; амплітуду коливань лемеша – 5,5 мм, 11,6 мм, 17,3 мм. Знайдена потужність на різних режимах коливається у межах 4,55 - 6,15 кВт. На основі отриманих експериментальних даних розв’язано локальні оптимізаційні задачі з вибору оптимальних параметрів налаштування картоплекопача для отримання мінімальних значень тягового опору y = 7,721 кН – швидкість v= 0,6 м/с, частота коливань 7,0 Гц; найменша споживана потужність ( y = 4,698 кВт) спостерігається при частоті коливань лемеша 5,626 Гц та амплітуді коливань A= 5,5 мм. Отримані значення регулювальних параметрів носять рекомендаційний характер, визначальними будуть такі регулювання, які дозволять не накопичувати підкопаний пласт ґрунту біля вхідного вікна лемеша та будуть максимально його сепарувати на коливній площині. При визначенні показників якості роботи картоплекопача встановлено наступні результати: повнота підкопування – 97,31% > [97%]; пошкоджені бульби – 2,33% < [3%]; втрати бульб, які залишились у ґрунті – 2,69% < [3%]; глибина підкопування – -0,5 см; +1 см менше ±2 см. У п’ятому розділі при дослідженні приведеного моменту інерції механізму приводу вібраційного лемеша картоплекопача встановлено, що при застосуванні в якості кривошипа класичного ексцентрикового вала нерівномірність зміни моменту інерції, тобто відношення максимального до мінімального значень за цикл буде складати – 9,2 рази; за варіантом – при використанні зрівноважувального маховика, це співвідношення складе 1,34 рази. Це означає, що використання маховика в системі приводу лемеша підвищує рівномірність його роботи за цим співвідношенням майже у 7 разів при холостій роботі лемеша. При врахуванні моменту інерції бульбоносноно пласта, що знаходиться на площині лемеша, маємо: перше виконання приводу лемеша – нерівномірність роботи приводу за приведеним моментом інерції складає 11,4 рази, при використанні маховика ця нерівномірність – 1,43 рази, тобто використання маховика «згладжує» нерівномірність приведеного моменту інерції майже у 8 разів. За розробленою теоретичною моделлю взаємодії активних боковинок лемеша з ґрунтом отримано значення зусилля їх проникнення при відділенні підкопуваного бульбоносного пласта від основного масиву ґрунту, що значно полегшує основне підкопування. Отримані значення визначені при коефіцієнті зминання ґрунту q = 2⋅10 ^6 Н/м3 та лежать в межах 325 Н при куті заточування їх лез α = 45° . Зусилля при умовно статичному проникненні активних боковинок збільшене на 35-50%. На основі розробленої моделі визначення енергетичних затрат на процес підкопування бульбоносного пласта встановлено наступні результати: отримано графічні залежності та числові значення, які показують зміну зусилля підкопування при повороті кривошипа на робочому та зворотному ходах лемеша; встановлено, що зусилля для підкопування пласта «пасивним» (зафіксованим) лемешем більші на 25,3% у порівнянні із зусиллями, що необхідні для проникнення активного лемеша; розбіжність значень горизонтальної складової опору переміщення лемеша, яка визначена теоретично (7810 Н) та із проведеного експерименту (8423 Н) складає 7,3%; отримано залежності зміни моменту та потужності приводу протягом циклу і на цій основі визначено дійсну потужність приводу, яка складе N дійсне 5,315 кВт при частоті коливань лемеша 7,2 Гц; відносна похибка теоретичної та експериментальної потужностей для аналогічних умов становить 6,9%, що свідчить про їх добру збіжність. Річний економічний ефект від використання розробленої машин складає 23607 грн на рік при повному її завантаженні. Конструкцію вібраційного лемеша захищено деклараційним патентом на корисну модель №156320, результати дисертаційного дослідження використовуються ТОВ «Плотича Агро» при проєктуванні сільськогосподарських машин та в освітньому процесі Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя; Golovetskyi I.V. Justification of the parameters of a potato harvesting machine with a combined active ploughshare. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering, specialty 133 Industrial Engineering. Ternopil Ivan Puluj National Technical University MES of Ukraine, Ternopil, 2025. In his dissertation, the scientific task of increasing the efficiency of harvesting potatoes was solved when justifying the parameters of a combined active ploughshare in the system of a single-row potato digger. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal and sets the task of the study. The scientific novelty, practical significance of the obtained results are described and the personal contribution of the applicant in the conducted studies is given. Information on testing and publication of the results of scientific research, the structure and volume of the dissertation work are provided. To realize the purpose of the dissertation research, the following tasks have been set and solved: to analyze the design features of single-row potato diggers, their undermining working bodies, and on this basis to offer an improved design of a combined active ploughshare with advanced capabilities for digging and transporting a tuberous layer of soil; develop theoretical models to determine the kinematic parameters of the multi-link mechanism of the ploughshare and investigate the conditions of directional motion of the bulb-bearing bed particle on its oscillatory plane; develop a model for studying the reduced moment of inertia of the mechanism for driving the vibratory ploughshare of the potato digger; develop a model for determining the energy costs for the process of separating and digging a tuberous layer of soil; make a single-row potato harvesting machine with a vibrating ploughshare and active sides, conduct its field tests, evaluate the quality indicators of work; draw up a plan and conduct experimental studies to determine the traction resistance and power consumption for driving the working organs of the potato digger. The object of the study is the process of digging a potato ridge with a combined active ploughshare in the system of a single-row potato digger. The subject of the study is the relationship between the kinematic, structural and energy parameters of the active combined ploughshare when digging a bed of soil in a potato bed. The scientific result of the dissertation research is to obtain qualitatively new theoretical dependencies, on the basis of which rational constructive and kinematic parameters of the combined active ploughshare in the system of a single-row potato digger were obtained, which made it possible to increase the efficiency of digging potatoes. On this basis, for the first time developed: a theoretical model that describes the kinematics of a multi-link mechanism of a ploughshare with active sidewalls and allows us to explore the conditions of directed movement of a bulb-bearing bed particle on its oscillatory plane; mathematical models for determining energy costs for the process of separating and undermining the bulbous layer of soil with a combined active ploughshare; theoretical dependencies were further developed to study the reduced moment of inertia of the mechanism for driving the vibratory ploughshare of the potato digger. In the first section of the dissertation, an analysis of the designs of potato diggers was carried out, which indicates that many different types of potato harvesting machines with passive semi-active and active ploughshares are used in practice. Each of them is designed for given working conditions and provides certain efficiency. At the same time, there are also disadvantages that are associated with limited functional ability, the presence of significant vibrations, and limited work in difficult conditions. The above problems prompted the development of a new design of the potato digger in the part of the combined active ploughshare. The peculiarity of the design is that the ploughshare is fixed on two pairs of suspensions having an adjustable length and providing the possibility of a given directional movement of the bulb-bearing bed particle by the plane of the ploughshare; front suspensions are made integral with active sidewalls, which perform oscillating movements in antiphase to reciprocating motion of the ploughshare, which significantly balances the mechanism, and their penetration into the soil allows to separate the penetrated layer from the main mass; the crank used is a balancing flywheel with an adjustable hinge for connecting the connecting rod, which makes it possible to change the radius of the crank, and from that the amplitude of the ploughshare oscillations. The above factors are aimed at increasing the efficiency of digging potatoes during harvesting, especially for more complex working conditions and made it possible to form the main tasks of the dissertation research. In the second section, a schematic diagram of a vibration ploughshare is proposed, for which a kinematic scheme is built and described by a theoretical model based on the method of closed vector circuits. Analysis of the kinematic parameters of the formed mechanism made it possible to obtain a coordinated kinematic scheme of the ploughshare mechanism as a theoretical prototype of the physical design of the combined active ploughshare. Using a graphic-analytical method of plans, kinematic parameters for characteristic points of ploughshare and its active sidewalls are obtained. For the obtained values of displacements, velocities and accelerations, in addition to scalar values, their directions are determined, which is an important factor for analyzing the directional movement of the soil layer on the ploughshare plane; A theoretical model has been built, which allows for a certain kinematic mode of operation of the ploughshare to analyze the value of the acting forces on a particle of a bulb-bearing formation located on the plane of the ploughshare, and determine the direction of its possible movement. This approach allows you to simulate the directional movement of the tuberous formation on the plane of the ploughshare, changing the rotation frequency and radius of the crank, the length of the rear suspensions and the angle of installation of the ploughshare to the horizon. The constructed theoretical model describes the law of motion of the ploughshare mechanism and is based on the theorem on the change of kinetic energy, allows us to determine the reduced moment of inertia of the driving mechanism of the vibration ploughshare, which underlies the assessment of energy costs for the drive of this working body. In the third section, on the basis of theoretical studies of individual structural and kinematic parameters, and analyzing the experience of similar solutions related to this type of machine, and in accordance with the developed program of experimental studies, a prototype of a single-row potato digger with a combined active ploughshare was made, for which the main technical characteristics and adjustment parameters were established: the speed of the unit movement - 0.83-1.4 m/s; adjustment range of ploughshare oscillation amplitudes – 5.5 mm; 11.6 mm; 17.3 mm; setting angle of ploughshare inclination – 120; 140; 160; design capacity at 0.7 m rows - 0.21-0.35 ha/h. The method and technical support for the experiment are described. A complete factor experiment of type 32 was planned, for which an experiment matrix was compiled, an equation of quadratic regression and expressions were written to determine its coefficients. The fourth section describes the conduct of field experimental studies in accordance with the program and approved methodology. Here is shown the developed appropriate attachment to determine the traction resistance of the digger, its installation on the machine; to determine the power of the drive - a torque meter introduced into the link of the driveshaft, which connects the output shaft of the tractor GDP and the conical reduction gear of the potato digger with the control of the GDP rotation frequency with a laser tachometer. When implementing experimental studies to determine the traction resistance of a potato digger, a type 32 experiment plan was developed, the independent factors of which were: translational speed – 0.6 m/s, 1.0 m/s, 1.4 m/s; Ploughshare oscillation frequency – 5.0 Hz, 6.0 Hz, 7.0 Hz. The result is to obtain values of traction resistance in the range of 7.59 - 10.27 kN, depending on the operating mode of the ploughshare and the translational speed of the potato digger. Experimental studies are described in determining the moment of driving the working organs of a potato digger, where the frequency of ploughshare oscillations is taken as independent factors – 5.0 Hz, 6.0 Hz, 7.0 Hz; the amplitude of the ploughshare oscillations is 5.5 mm, 11.6 mm, 17.3 mm. The found power in different modes ranges from 4.55 - 6.15 kW. On the basis of the obtained experimental data, local optimization problems were solved to select the optimal settings for the potato digger to obtain the minimum values of traction resistance y 7.721 kN – speed 0.6 m/s, frequency of oscillations 7.0 Hz; the lowest power consumption ( y 4.698 kW) is observed at the oscillation frequency of the ploughshare 5,626 Hz and the oscillation amplitude 5,5 mm. The obtained values of the adjustment parameters are advisory in nature, such adjustments will be decisive, which will allow not to accumulate the dug-up layer of soil at the entrance window of the ploughshare and will separate it as much as possible on the oscillatory plane. When determining the quality indicators of the potato digger, the following results were established: completeness of digging – 97.31% > [97%]; damaged tubers – 2.33% < [3%]; loss of tubers remaining in the soil – 2.69% < [3%]; digging depth – -0.5 cm; + 1 cm less ± 2 cm. In the fifth section, when studying the reduced moment of inertia of the mechanism for driving the vibratory ploughshare of the potato digger, it was found that when using a classic eccentric shaft as a crank, the unevenness of the change in the moment of inertia, that is, the ratio of the maximum to the minimum values per cycle will be – 9.2 times; according to the variant - when using a balancing flywheel, this ratio will be 1.34 times. This means that the use of a flywheel in the ploughshare drive system increases the uniformity of its operation at this ratio by almost 7 times with idle operation of the ploughshare. When taking into account the moment of inertia of the tuberous formation located on the plane of the ploughshare, we have: the first version of the drive of the ploughshare - the unevenness of the drive by the reduced moment of inertia is 11.4 times, when using the flywheel this unevenness is 1.43 times, that is, the use of the flywheel "smoothes" the unevenness of the reduced moment of inertia by almost 8 times. According to the developed theoretical model of the interaction of active sides of the ploughshare with the soil, the value of the force of their penetration was obtained when the dug-up tuberous formation was separated from the main soil mass, which greatly facilitates the main digging. The obtained values are determined at the soil creasing coefficient q = 2⋅10 ^6 N/m3 and lie within 325 N at the angle 45° of sharpening their blades. On the basis of the developed model for determining energy costs for the process of digging in a bulbous formation, the following results were established: graphic dependencies and numerical values were obtained, which show a change in the digging force when turning the crank at the working and reverse strokes of the ploughshare; it was found that the forces for digging the formation with a "passive" (fixed) ploughshare are greater by 25.3% compared to the forces required for the penetration of the active ploughshare; the discrepancy between the values of the horizontal component of the resistance to movement of the ploughshare, which is determined theoretically (7810 N) and from the experiment (8423 N) is 7.3%; dependence of change of moment and power of the drive during the cycle is obtained, and on this basis the actual power of the drive is determined, which will be Nreal 5.315 kW at the frequency of oscillations of the ploughshare 7.2 Hz; the relative error of theoretical and experimental powers for similar conditions is 6.9%, which indicates their good convergence. The annual economic effect of using the developed machines is 23.607 UAH per year with its full load. The design of the vibration ploughshare is protected by a declaration patent for utility model No. 156320, the results of the dissertation research are used by Plotycha Agro LLC in the design of agricultural machines and in the educational process of Ternopil Ivan Puluj National Technical University

Обгрунтування параметрів обрізника залишків гички коренеплодів цикорію

2023-11-17T00:00:00Z

Назва: Обгрунтування параметрів обрізника залишків гички коренеплодів цикорію Автори: Бойко, Володимир Андрійович; Boyko, V. A. Короткий огляд (реферат): 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.

Обгрунтування параметрів багатофункціонального гвинтового конвеєра для транспортування та змішування сипких матеріалів

2023-10-01T00:00:00Z

Назва: Обгрунтування параметрів багатофункціонального гвинтового конвеєра для транспортування та змішування сипких матеріалів Автори: Марунич, Олександр Петрович; Marunych, О. P. Короткий огляд (реферат): Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2023. У дисертації виконано теоретичне та експериментальне нове вирішення наукової задачі шляхом проектування і обґрунтування параметрів гвинтових багатофункціональних конвеєрів із розробленням теоретичних передумов, конструктивного і технологічного устаткування, що забезпечує підвищення ефективності транспортування та змішування сипких матеріалів. На основі структурного морфологічного синтезу і механіко- математичних методів моделювання розроблено багатоваріантні структури конструктивних та функціональних можливостей реалізації процесів з розширенням їх технологічних та конструктивних множини в результаті синтезу із генеруванням можливих альтернатив для кожного із трьох ієрархічних рівнів. На основі системного підходу до дослідження технологічних процесів багатофункціонального гвинтового конвеєра для транспортування та змішування сипких матеріалів у роботі отримано такі наукові результати: − набули подальший розвиток аналітичні залежності, які визначають кінематичні параметри процесу переміщення вантажу гвинтовим багатофункціональним конвеєром, за яких покращуються умови змішування сипких матеріалів; - вперше досліджено кінематику сипкого вантажу у багатофункціональному гвинтовому конвеєрі з конусоподібним гвинтовим робочим органом, отримано параметричні рівняння траєкторії, швидкості та прискорення руху вантажу, які дозволяють визначати інтенсивність переміщення матеріалу та продуктивність роботи конвеєра; - вперше розроблено динамічну модель шнекового робочого органу багатофункціонального транспортера з встановленням визначальних параметрів коливального процесу залежно від зовнішніх та внутрішніх чинників, що описуються законами зміни основних параметрів робочого органу під час проходження через головний резонанс системи; - отримали подальший розвиток аналітичні дослідження крутильних коливань гвинтового робочого органу шнекового багатофункціонального конвеєра із урахуванням динаміки суцільного потоку середовища, що транспортується з визначальними параметрами його коливань для нерезонансного та резонансного випадку; - вперше встановлено емпіричні закономірності впливу конструктивних параметрів та режимів роботи багатофункціонального гвинтового конвеєра на його продуктивність, витрати потужності і неоднорідність змішування при транспортуванні та змішуванні сипких матеріалів. Приведено методику розрахунку похилих середньошвидкохідних гвинтових конвеєрів, які в граничних режимах призводять до інтенсивного перемішування вантажу і працюють як ефективні змішувачі. Виведені залежності для визначення кінематичних та експлуатаційних параметрів, що забезпечують стабільну роботу таких змішувачів. Теоретично обґрунтовано технологічний процес транспортування і змішування сипких матеріалів конусоподібним гвинтовим конвеєром. Виведено аналітичні залежності для визначення зміни зовнішнього радіуса шнека та внутрішнього радіуса кожуха, при якій початковий радіус шнека зростає на величину на кожному наступному витку. Встановлено, що приріст радіуса переміщення вантажу на одному витку конусоподібного гвинтового конвеєра суттєво впливає на збільшення швидкості вантажу, що сприяє інтенсифікації процесу змішування. Зокрема при збільшенні приросту радіуса переміщення вантажу на одному витку від 1 мм до 5 мм призводить до зростання швидкості вантажу від 1,28 рази до 2,44 рази. Розроблено математична модель динаміки процесу багатофункціонального конвеєра, отримано аналітичні залежності, які були базовими для визначення закону зміни визначальних параметрів коливального процесу залежно від зовнішніх та внутрішніх чинників системи. На основі аналітичних залежностей отримано, що: - амплітуда переходу через головний резонанс для більших значень швидкостей відносного руху оброблювального середовища є більшою. Збільшення відносної швидкості від 2 до 5м/с при спричиняє збільшення амплітуди переходу через головний резонанс на 17%; - збільшення погонної маси оброблювального середовища за незмінної відносної швидкості його руху спричиняє збільшення амплітуди переходу через резонанс. Збільшення погонної маси від 25 кг/м до 40 кг/м при відносній швидкості його руху 4м/с спричиняє збільшення амплітуди переходу через резонанс на 61%. Розроблена методика дослідження крутильних коливань гвинтового робочого шнекового транспортера із урахуванням його поперечних коливань та руху вздовж нього суцільного потоку оброблювального середовища при цьому встановлено: • стала кутова швидкість обертання гвинтового робочого органу зменшує частоту власних згинних коливань гвинтового робочого органу; • відносне переміщення оброблювального середовища вздовж гвинтового робочого органу, який обертається і здійснює поперечні коливання спричиняє додаткову дією на останній у вигляді періодичного крутного моменту; • амплітуда переходу через резонанс на основній частоті згинних коливань приймає менше значення для гвинтових робочих органів із більшою жорсткістю на кручення. Розроблено і виготовлено стендове обладнання для дослідження продуктивності транспортування та змішування сипких матеріалів, а також характеристик гвинтових конвеєрів в широкому діапазоні частоти обертання, при плавному та різкому пуску, зміні частоти обертання і реверсуванні в процесі досліджень в автоматизованому режимі за допомогою перетворювача частоти серії Altivar 71 та універсальної вимірювальної системи з акселерометрами для визначення динамічних навантажень з отриманням відповідних даних у ПК. Встановлено, що при збільшенні кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та зменшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку максимальна продуктивність під час транспортування пшениці складала 9,44 т/год., а мінімальна – 3,8 т/год. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 2 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зростання продуктивності в 1,18 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання продуктивності в 1,07 рази. За результатами досліджень встановлено, що максимальна продуктивність під час транспортування пшениці складала 4,7 т/год., а мінімальна – 0,35 т/год. Із збільшенням частоти обертання гофрованого конусного шнека від 70 об/хв. до 270 об/хв. призводить до зростання продуктивності транспортування в 3,36 рази. При цьому збільшення висоти гофр на зовнішньому діаметрі шнека від 0,004 м до 0,012 м забезпечує зменшення продуктивності в 2,55 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання продуктивності в 1,19 рази. Визначено, що при збільшенні кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та зменшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку потужність на приводі шнека під час транспортування пшениці складала 0,37 кВт, а мінімальна – 0,11 кВт. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання потужності на приводі в 2,5 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зростання потужності на приводі в 1,17 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання потужності на приводі в 1,18 рази. Досліджено, що при збільшенні величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку, кута нахилу твірної конусної поверхні шнека та зменшенні частоти обертання шнека максимальна величина коефіцієнта неоднорідності змішування склала 11,8 %, а мінімальна – 9,4 %. Збільшення частоти обертання конусного шнека від 200 об/хв. до 500 об/хв. призводить до зростання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,07 рази. При цьому збільшення кута нахилу твірної конусної поверхні шнека від 1 град до 2 град забезпечує зменшення коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,12 рази, а зміна величини приросту кроку шнека на кожному послідовному витку від 0,004 м до 0,01 м призводить до спадання коефіцієнта неоднорідності змішування в 1,04 рази. Коефіцієнт неоднорідності змішування звичайним конусним шнеком є в 1,38 рази вищим ніж коефіцієнт неоднорідності змішування гофрованим конусним шнеком в межах досліджуваних частот обертання шнеків від 200 об/хв до 270 об/хв, поряд з цим продуктивність звичайного конусного шнеком є вищою 1,53 рази. Проведено моделювання багатофункціонального гвинтового конвеєра оснащеного гвинтовим конічним робочим органом, яке показало, що максимальні напруження спостерігаються на вихідному кінці конічного шнека та становлять приблизно 34,5 МПа, а максимальні загальні переміщення - 0,27 мм. Встановлено що максимальні переміщення вздовж осі становлять 0,15 мм і спостерігаються у середній частині спірального шнека, де радіус спіралі становить 200 мм і цьому відповідає кут закручування φ=0,04 рад. Приведено візуалізація розрахунку протуктивності залежно від кроку шнека на кожному послідовному витку, кута нахилу твірної конусної поверхні шнека, частоти обертання шнека та висоти гофр на зовнішньому діаметрі шнека та розроблено алгоритм математичної моделі, який дозволяє краще зрозуміти процес транспортування та змішування сипких матеріалів для кожної відповідної комбінації вхідних параметрів з використанням технології LINQ. Наведено перспективні конструкції гвинтових транспортних механізмів з розширеними технологічними можливостями та їх дослідження, на основі яких отримано 9 патентів України на корисні моделі. Річний економічний ефект від використання багатофункціонального гвинтового конвеєра оснащеного гвинтовим робочим органом, виготовленим із заготовок одержаних методами навивання, становить 18889 грн.; The dissertation presents a theoretical and experimental approach to solving a scientific problem through the design and justification of parameters for screw conveyors with multifunctional capabilities, aiming to enhance the efficiency of conveying and mixing bulk materials. Using structural morphological synthesis and mechanical-mathematical modeling methods, various structural and functional configurations were developed, expanding their technological and constructive possibilities. This synthesis process generated multiple alternatives for each of the three hierarchical levels. Applying a systemic approach to the study of technological processes involving multifunctional screw conveyors for conveying and mixing bulk materials, the following scientific results were achieved: − analytical dependencies were further developed to determine the kinematic parameters of cargo movement by a multifunctional screw conveyor, leading to improved conditions for mixing bulk materials; - for the first time, the kinematics of loose cargo within a multifunctional screw conveyor with a cone-shaped screw working element were investigated. Parametric equations for trajectory, velocity, and acceleration of cargo movement were obtained, enabling the determination of material displacement intensity and conveyor productivity; - for the first time, a dynamic model of the screw working element of a multifunctional conveyor was developed, establishing key parameters of oscillatory processes influenced by external and internal factors. These parameters describe the changes in the main working element parameters during passage through the system's main resonance; - further analytical studies were conducted on torsional vibrations of the screw working element in the multifunctional screw conveyor, accounting for the dynamics of the continuous transported medium. This study included defining the parameters of its vibrations for both non-resonant and resonant cases; - for the first time, some empirical regularities were identified for the influence of structural parameters and operational modes of the multifunctional screw conveyor on its productivity, power consumption, and the uniformity of mixing during conveying and mixing bulk materials. A methodology for calculating inclined medium-speed screw conveyors is presented, which, in extreme conditions, lead to intensive cargo mixing and function effectively as mixers. Dependencies are derived to determine the kinematic and operational parameters that ensure stable operation of such mixers. The technological process of conveying and mixing bulk materials using a cone-shaped screw conveyor is theoretically substantiated. Analytical relationships are derived to determine the change in the external radius of the screw, denoted as R, and the internal radius of the casing. These relationships describe how the initial screw radius, increases by an amount with each successive turn. It has been found, that the increment in the displacement radius of the cargo in one turn of the cone-shaped screw conveyor significantly influences the increase in cargo velocity, thereby enhancing the mixing process. Specifically, increasing the increment of the cargo displacement radius per turn from 1 mm to 5 mm results in a velocity increase ranging from 1.28 times to 2.44 times. A mathematical model of the dynamics of a multifunctional conveyor has been developed, and analytical relationships have been obtained as the foundation for determining the law of change in defining parameters of the oscillatory process depending on external and internal factors of the system. Based on these analytical relationships, the following conclusions have been drawn: - the amplitude of transition through the main resonance is greater for higher values of relative motion speeds of the processed medium. Increasing the relative speed from 2 to 5 m/s results in a 17% increase in the amplitude of transition through the main resonance; - increasing the linear mass density of the processing medium while keeping the relative speed of its motion unchanged leads to an increase in the amplitude of transition through resonance. Increasing the linear mass density from 25 kg/m to 40 kg/m at a relative speed of 4 m/s causes a 61% increase in the amplitude of resonance transition. A methodology for studying torsional vibrations of screw conveyors with consideration for their lateral oscillations and the motion of the continuous processing medium along them has been developed. The following conclusions have been drawn: ➢ a constant angular rotation speed of the screw working element reduces the frequency of its natural bending vibrations; ➢ the relative displacement of the processing medium along the rotating screw, which also undergoes lateral oscillations, exerts an additional influence on it in the form of periodic torque; ➢ the amplitude of resonance transition at the fundamental frequency of bending vibrations is smaller for screw working elements with higher torsional stiffness. A test setup has been designed and manufactured to investigate the productivity of conveying and mixing bulk materials, as well as the mechanical characteristics of screw conveyors over a wide range of rotational frequencies, including smooth and rapid starts, changes in rotational frequency, and reversals, all in an automated mode using the ALTIVAR 71 series variable frequency drive and a universal measurement system with accelerometers for determining dynamic loads and obtaining corresponding data on a PC. It has been determined that increasing the inclination angle of the forming cone surface of the screw, the screw rotation frequency, and decreasing the increment of the screw pitch at each successive turn result in a maximum productivity during wheat conveying of 9.44 t/h and a minimum of 3.8 t/h. Increasing the rotation frequency of the conical screw α from 200 rpm to 500 rpm leads to a doubling of productivity. Moreover, increasing the inclination angle of the forming cone surface from 1 degree to 2 degrees provides a 1.18-fold increase in productivity, and varying the increment of the screw pitch from 0.004 m to 0.01 m per turn results in a 1.07- fold decrease in productivity. Based on the research results, it was determined that the maximum productivity during wheat conveying was 4.7 t/h, while the minimum was 0.35 t/h. Increasing the rotation frequency of the corrugated conical screw from 70 rpm to 270 rpm, leads to a 3.36-fold increase in conveying productivity. Additionally, increasing the height of the corrugations on the external diameter of the screw from 0.004 m to 0.012 m, results in a 2.55-fold decrease in productivity, and changing the increment of the screw pitch per turn from 0.004 m to 0.01 m, leads to a 1.19-fold decrease in productivity. It was determined that increasing the inclination angle of the forming cone surface of the screw, the screw rotation frequency, and decreasing the increment of the screw pitch per turn, the power at the screw drive during wheat conveying was 0.37 kW, while the minimum was 0.11 kW. Increasing the rotation frequency of the conical screw, from 200 rpm to 500 rpm, results in a 2.5-fold increase in power at the drive. Furthermore, increasing the inclination angle of the forming cone surface, α, from 1 degree to 2 degrees, provides a 1.17-fold increase in power at the drive, and changing the increment of the screw pitch per turn, from 0.004 m to 0.01 m, leads to a 1.18-fold decrease in power at the drive. The investigation revealed that by increasing the increment of the screw pitch per turn, the inclination angle of the forming cone surface of the screw, and decreasing the rotation frequency of the screw, the coefficient of mixing nonuniformity ranges from 11.8% to a minimum of 9.4%. Increasing the rotation frequency of the conical screw, from 200 rpm to 500 rpm, results in a 1.07-fold increase in the coefficient of mixing non-uniformity. Moreover, increasing the inclination angle of the forming cone surface, α, from 1 degree to 2 degrees, leads to a 1.12-fold decrease in the coefficient of mixing non-uniformity, and changing the increment of the screw pitch per turn, from 0.004 m to 0.01 m, results in a 1.04-fold decrease in the coefficient of mixing non-uniformity. The mixing non-uniformity coefficient for a regular conical screw is 1.38 times higher than the mixing non-uniformity coefficient for a corrugated conical screw within the investigated rotational frequency range of the screws, from 200 rpm to 270 rpm. Moreover, the productivity of the regular conical screw is 1.53 times higher. Modeling was carried out for a multifunctional screw conveyor equipped with a conical screw working element. The results showed that the maximum stresses are observed at the outlet end of the conical screw, reaching ≈ 34.5 MPa, and the maximum total displacements are 0.27 mm. It was found that the maximum displacements along the Z-axis are 0.15 mm and occur in the middle part of the spiral screw, where the spiral radius is 200 mm, corresponding to a helix angle φ=0.04. Visualization of the productivity calculation is provided, considering the increment of the screw pitch per turn, the inclination angle of the forming cone surface, the rotation frequency of the screw, and the height of the corrugations on the external diameter of the screw. An algorithm for a mathematical model has been developed, enabling a better understanding of the process of conveying and mixing bulk materials for each corresponding combination of input parameters using LINQ technology. Some promising designs of screw transport mechanisms with expanded technological capabilities have been presented, along with their research, which resulted in 9 patents for utility models in Ukraine. The annual economic benefit from using the multifunctional screw conveyor equipped with a screw working element manufactured from blanks obtained by winding methods amounts to 18,889 UAH. Опис: Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2023.

Обґрунтування параметрів шнекових механізмів з еластичними змінними поверхнями для транспортування насіннєвих зернових матеріалів

2023-09-11T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування параметрів шнекових механізмів з еластичними змінними поверхнями для транспортування насіннєвих зернових матеріалів Автори: Станько, Андрій Ігорович; Stanko, A.I. Короткий огляд (реферат): Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 “Галузеве машинобудування”. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2023. Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню і новому технічному забезпеченню вирішення наукового завдання, яке полягає у зниженні ступеня пошкодження насіннєвих зернових матеріалів при транспортуванні гвинтовими конвеєрами шляхом розроблення нових змінних гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями і вибору раціональних конструктивних параметрів та режимів їх роботи. Проведено структурний синтез гвинтових робочих органів із еластичними поверхнями з метою пошуку конструктивних рішень для зменшення пошкодження зернових матеріалів при транспортуванні гвинтовими конвеєрами у порівнянні із традиційними жорсткими шнеками, використовуючи морфологічний аналіз з ієрархічним групуванням конструктивних ознак. Одержано декілька конструкцій гвинтових робочих органів, що відповідають меті синтезу, на які одержано патенти України на корисні моделі, зокрема з щіткоподібною гвинтовою частиною, з периферійною еластичною щіткоподібною частиною, із суцільною камероподібною частиною. Проведено теоретичні дослідження деформації волокон еластичних щіткоподібних гвинтових робочих органів при транспортуванні зернового матеріалу. Виведено та розв’язано числовим методом диференціальне рівняння для середньої лінії деформації декількох волокон еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу горизонтального та нахиленого гвинтового конвеєра із тихохідним режимом роботи під час транспортування сипкого матеріалу при коефіцієнті завантаження до 0,45. На основі проведеного розв’язку диференціального рівняння встановлено, що при зменшенні діаметра волокна від 2,3 мм до 1,7 мм для однакових зовнішніх навантажень відбувається деформація волокон на величину 5 мм. При збільшенні робочої частини волокон від 20 мм до 40 мм для однакових зовнішніх навантажень відбувається деформація волокон на величину 8,6 мм. Відтак використання волокон із більшою довжиною робочої частини знижує навантажувальну здатність еластичного щіткоподібного шнека, проте призводить до зменшення величини травмування насіннєвого зернового матеріалу, що транспортується. Проведено теоретичні дослідження параметрів взаємодії волокон еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу із зерновим матеріалом. Виведено рівняння рівноваги зернини в початковий момент контакту із волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу. Визначено кут контакту між зерниною та волокном гвинтового робочого органу. Виведено рівняння для знаходження допустимого зовнішнього навантаження на зернину, при якому величина прогину волокон не перевищує граничну величину, при якій забезпечується транспортування зернового матеріалу. Встановлено, що збільшення кута α контакту між зерниною та волокном призводить до зменшення значення зовнішнього навантаження Р. При куті α=90 град на зернину діють тільки сили тертя. Збільшення відстані l1 між центрами волокон круглого поперечного перерізу, що взаємодіють із зерниною, призводить до зменшення навантаження Р, при чому збільшення коефіцієнтів тертя µ1 та µ2 призводить до зростання навантаження Р. Суттєве зменшення навантаження Р спостерігається при l1, що дорівнює діаметру зернини. Визначено умову защемлення зернини між волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу та внутрішньою поверхнею кожуха. Встановлено, що збільшення кута α контакту між зерниною та волокном та відстані l1 між центрами волокон круглого поперечного перерізу призводить до збільшення ймовірності защемлення зернини між волокнами еластичного щіткоподібного гвинтового робочого органу. Для коефіцієнта тертя між зерниною та волокном µ1<0,5 кут α знаходиться в межах від 50 град до 90 град, а відстань l1 від 4 мм до 5 мм при радіусі зернини 2 мм. Визначено критичний кут контакту між зерниною і волокном та критичну відстань між центрами волокон круглого поперечного перерізу, при яких відбувається защемлення зернини. Встановлено співвідношення зазору між волокнами та діаметром зернини, при яких можливе защемлення зернини, з якого випливає, що чим більший коефіцієнт тертя µ1, тим менше таке співвідношення. Так для коефіцієнта тертя µ1=0,5 защемлення зернини можливе при співвідношенні зазору до діаметра зернини від 0,75, а для µ1=0,3 – від 0,89. Спроектовано та виготовлено дослідний зразок гвинтового конвеєра із можливістю використання різних діаметрів кожуха та змінних гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями (суцільною камероподібною частиною, з периферійною еластичною щіткоподібною частиною, з щіткоподібною гвинтовою частиною), та з можливістю керування режимами роботи конвеєра за допомогою ПК через перетворювач частоти струму Altivar 71 з автоматичною візуалізацією та фіксацією отриманих результатів при дослідженні продуктивності транспортування та ступеня пошкодження насіннєвого зернового матеріалу після його переміщення в діапазонах частоти обертання гвинтового робочого органу від 0 до 511,2 об/хв, внутрішнього діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм та кута нахилу конвеєра від 0º до 30º. Представлено результати експериментальних досліджень трьох різних типів гвинтових робочих органів з еластичними поверхнями, на основі статистичної обробки яких, за допомогою прикладного програмного забезпечення, встановлено емпіричні закономірності впливу конструктивних параметрів та режимів роботи гвинтових конвеєрів із змінними гвинтовими робочими органами з еластичними поверхнями на їх продуктивність та ступінь пошкодження насіннєвих зернових матеріалів при транспортуванні. Одержано такі результати. Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з еластичною суцільною камероподібною частиною складала: для ячменю максимальна 6,37 т/год., а мінімальна – 3,98 т/год.; для кукурудзи максимальна 6,67 т/год., а мінімальна – 4,18 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 511,2 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 1,29 рази. При цьому збільшення діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм забезпечує зростання продуктивності в 1,11 рази, а зміна кута нахилу конвеєра від 0 град до 30 град. призводить до спадання продуктивності в 1,12 рази. Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з периферійною еластичною щіткоподібною частиною складала: для ячменю максимальна 6,61 т/год, а мінімальна – 3,49 т/год.; для кукурудзи максимальна 6,92 т/год, а мінімальна – 3,84 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до оптимальної частоти обертання призводить до зростання продуктивності в 1,25 рази для ячменю (від 430 до 440 об/хв.) та в 1,22 рази для кукурудзи (від 450 до 480 об/хв.). Продуктивність під час транспортування гвинтовим робочим органом з щіткоподібною гвинтовою частиною складала: для ячменю максимальна 4,37 т/год, а мінімальна – 1,77 т/год.; для кукурудзи максимальна 5,25 т/год, а мінімальна – 2,56 т/год. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 470…480 об/хв. призводить до зростання продуктивності в 1,25 рази. При цьому збільшення діаметра кожуха від 96 мм до 108 мм забезпечує зростання продуктивності в 1,36 рази для ячменю та в 1,29 рази для кукурудзи, а зміна кута нахилу конвеєра від 0 град до 30 град. призводить до спадання продуктивності в 1,54 рази для ячменю та в 1,36 рази для кукурудзи. Встановлено, що максимальна величина ступеня пошкодження зерна кукурудзи при транспортуванні гвинтовими робочими органами з еластичними суцільними камероподібними частинами складала 0,26%, при транспортуванні гвинтовими робочими органами з периферійною еластичною щіткоподібною частиною 0,25%, а при транспортуванні гвинтовими робочими органами з гвинтовими робочими органами з щіткоподібною гвинтовою частиною 0,24%. Травмування кукурудзи при її переміщенні шнеками з суцільним камероподібним елементом та периферійною еластичною щіткоподібною частиною є нижчою в 4,06… 4,32 рази, а при використанні шнека з щіткоподібним елементом є нижчою в 4,5 рази, ніж при використанні звичайних жорстких шнеків. Збільшення частоти обертання гвинтового робочого органа n від 284 об/хв. до 511,2 об/хв. призводить до зростання ступеня пошкодження зерна кукурудзи в 1,55 рази. Розроблені конструкції гвинтових конвеєрів оснащених гвинтовими робочими органами із еластичними поверхнями та інших видів гвинтових конвеєрів захищені дев’ятьма патентами України на корисні моделі, а гвинтовий конвеєр з еластичною щіткоподібною поверхнею, що виготовлений на основі патенту України № 150968, пройшов успішні промислові випробування у Селянському фермерському наукововиробничому господарстві «Коваль». Річний економічний ефект від використання дослідного зразка склав 6870 грн.; Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 133 "Industrial engineering". Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2023. The thesis is devoted to the theoretical foundations and new technical support for solving the scientific task, which consists in reducing the degree of damage to seed grain materials during transportation by screw conveyors by developing new variable screw working bodies with elastic surfaces and choosing rational design parameters and modes of their operation. A structural synthesis of screw working bodies with elastic surfaces was carried out in order to reduce damage to grain materials during transportation by screw conveyors in comparison with traditional rigid screws, using morphological analysis with hierarchical grouping of structural features. Several designs of screw working bodies corresponding to the purpose of synthesis were obtained, for which patents of Ukraine for useful models were obtained, in particular with a brushlike helical part, with a peripheral elastic brushlike part, with a continuous chamberlike part. Theoretical studies of the deformation of elastic brushlike screw working bodies fibers during the transportation of grain material have been carried out. The differential equation for the mean line of several fibers deformation of an elastic brushlike screw working body of a horizontal and inclined screw conveyors with a lowspeed mode of operation during transportation of bulk material at a loading factor of up to 0.45 was derived and solved numerically. Based on the solution of the differential equation, it was established that when the fiber diameter decreases from 2.3 mm to 1.7 mm for the same external loads, the fibers are deformed by 5 mm. When the working part of the fibers is increased from 20 mm to 40 mm for the same external loads, the fibers are deformed by 8.6 mm. Therefore, the use of fibers with the longer length of the working part reduces the load capacity of the elastic brushlike auger, but leads to a decrease in the amount of damage to the seed grain material being transported. Theoretical studies of the parameters of the interaction of the fibers of the elastic brushlike screw working body with the grain material have been conducted. The equation of the grain equilibrium at the initial contact moment with the fibers of the elastic brushlike screw working body is derived. The contact angle between the grain and the fiber of the screw working body is determined. An equation is derived for finding the permissible external load on the grain, at which the amount of fiber deflection does not exceed the limit value at which the transportation of the grain material is ensured. It was established that an increase in the contact angle α between the grain and the fiber leads to a decrease in the value of the external load P. At an angle α=90 degrees, only frictional forces act on the grain. An increase in the distance l1 between the centers of round crosssection fibers interacting with the grain leads to a decrease in the load P, while an increase in the friction coefficients µ1 and µ2 leads to an increase in the load P. A significant decrease in the load P is observed at l1, which is equal to the diameter of the grain. The condition of grain chocking between the fibers of the elastic brushlike screw working body and the inner surface of the casing is determined. It was established that an increase in the contact angle α between the grain and the fiber and the distance l1 between the centers of the fibers of a circular crosssection leads to an increase in the probability of the grain being chocked between the fibers of the elastic brushlike helical working body. For the friction coefficient between grain and fiber µ1 <0.5, the angle α is in the range from 50 degrees to 90 degrees, and the distance l1 is from 4 mm to 5 mm with a grain radius of 2 mm. The critical angle of contact between the grain and the fiber and the critical distance between the centers of the fibers of round crosssection, at which the chocking of the grain occurs, were determined. The ratio of the gap between the fibers and the diameter of the grain, at which chocking of the grain is possible, is established, from which it follows that the greater the friction coefficient µ1, the smaller this ratio is. Thus, for a friction coefficient of µ1=0.5, chocking of the grain is possible when the ratio of the gap to the diameter of the grain is from 0.75, and for µ1=0.3 – from 0.89. A prototype of a screw conveyor with the possibility of using different casing diameters and variable screw working bodies with elastic surfaces was designed and manufactured (with a continuous chamberlike part, with a peripheral elastic brush like part, with a brushlike screw part), and with the possibility of controlling the modes of the conveyor operation using a PC through the current frequency converter Altivar 71 with automatic visualization and fixation of the obtained results when studying the transportation performance and the degree of damage to the seed grain material after its movement in the ranges of the rotation frequency of the screw working body from 0 to 511.2 rpm, the inner diameter of the casing from 96 mm to 108 mm and the angle of the conveyor inclination from 0º to 30º. The results of experimental studies of three different types of screw working bodies with elastic surfaces are presented. For the screw conveyors with variable screw working bodies with elastic surfaces empirical equations for determining productivity and degree of seed grain materials damage during transportation are derived, which is based on the experimental results statistical processing with the help of application software. The following results were obtained. Productivity during transportation by a screw working body with an elastic continuous chamberlike part was: for barley, the maximum 6.37 t/h, and the minimum 3.98 t/h; for corn, the maximum is 6.67 t/h, and the minimum is 4.18 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 511.2 rpm. leads to a 1.29 times increase in productivity. At the same time, an increase in the casing diameter from 96 mm to 108 mm provides a 1.11 times increase in productivity, and a change in the angle of inclination of the conveyor from 0 degrees to 30 degrees. leads to a decrease in productivity by 1.12 times. Productivity during transportation by a screw working body with a peripheral elastic brushlike part was: for barley, the maximum 6.61 t/h, and the minimum 3.49 t/h; for corn, the maximum 6.92 t/h, and the minimum 3.84 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. to the optimal rotation frequency leads to a productivity increase of 1.25 times for barley (from 430 to 440 rpm) and 1.22 times for corn (from 450 to 480 rpm). Productivity during transportation by a screw working body with a brushlike screw part was: for barley, the maximum 4.37 t/h, and the minimum 1.77 t/h; for corn, the maximum is 5.25 t/h, and the minimum is 2.56 t/h. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 470...480 rpm. leads to a 1.25 times increase in productivity. At the same time, an increase in the casing diameter from 96 mm to 108 mm provides an increase in productivity by 1.36 times for barley and 1.29 times for corn, and a change in the inclination angle of the conveyor from 0 degrees to 30 degrees. leads to a 1.54 times decrease in productivity for barley and 1.36 times for corn. It was established that the maximum degree of damage to corn grain during transportation by screw working bodies with elastic continuous chamberlike parts was 0.26%, during transportation by screw working bodies with a peripheral elastic brushlike part 0.25%, and during transportation by screw working bodies with a brushlike screw part 0.24%. Damage to corn during its movement by augers with a solid chamberlike element and a peripheral elastic brushlike part is 4.06... 4.32 times lower, and when using an auger with a brushlike element, it is 4.5 times lower than when using conventional rigid augers. Increasing the rotation frequency of the screw working body n from 284 rpm. up to 511.2 rpm. leads to an increase in the degree of corn grain damage by 1.55 times. The developed designs of screw conveyors equipped with screw working bodies with elastic surfaces and other types of screw conveyors are protected by nine patents of Ukraine for useful models, and the screw conveyor with an elastic brushlike surface, manufactured on the basis of Ukrainian patent No. 150968, passed successful industrial tests in Country agricultural scientific and production farm "Koval". The annual economic effect from the use of the experimental sample amounted to 6,870 UAH.

Підвищення інтенсивності процесу та розроблення обладнання для перемішування компонентів

2021-12-01T00:00:00Z

Назва: Підвищення інтенсивності процесу та розроблення обладнання для перемішування компонентів Автори: Паньків, Юлія Юріївна; Pankiv, Y.Y. Короткий огляд (реферат): У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання зниження енерговитрат процесу приготування рідкої опари шляхом дискретно імпульсного дозованого введення компонентів у зваженому стані та обґрунтування раціональних параметрів робочих органів змішувача. Зниження енергоємності процесу приготування рідкої опари досягається за рахунок інтенсифікації основних етапів і, як наслідок, скорочення часу її приготування.; In the dissertation work, the new scientific problem reduction of energy consumption of preparation process of liquid sponge by discrete-pulse dosed injection of components in a suspended state and substantiation of rational parameters of mixer working bodies is solved. Reducing the energy consumption of the liquid sponge preparation process is achieved by intensifying the main stages and, as a consequence, reducing its cooking time

Обгрунтування параметрів робочих органів гичкозбирального модуля

2021-07-26T00:00:00Z

Назва: Обгрунтування параметрів робочих органів гичкозбирального модуля Автори: Береженко, Євген Богданович; Berezhenko, E.B. Короткий огляд (реферат): У дисертаційній роботі вирішено нове наукове завдання зниження енерговитрат процесу збирання основного масиву гички коренеплодів шляхом розробки та обґрунтування раціональних параметрів робочих органів гичкозбирального модуля. Зниження енергоємності процесу досягається за рахунок одночасного поєднання операцій зрізування та переміщення зрізаної гички одним активним (роторний гичкоріз) і пасивним (направляючий канал) робочими органами.; In the dissertation work the new scientific problem of energy consumption reduction of root crops tops harvesting process is solved by development and substantiation of rational haulm gatherer working bodies parameters. Energy consumption is reduced by combining the cutting and moving operations of the cut-off tops with one active (rotary top cutter) and one passive (guide channel) working body.

Обґрунтування параметрів канатної системи малих складських приміщень для переміщення сільськогосподарських продуктів у тарі

2021-05-01T00:00:00Z

Назва: Обґрунтування параметрів канатної системи малих складських приміщень для переміщення сільськогосподарських продуктів у тарі Автори: Никеруй, Юрій Степанович Короткий огляд (реферат): Дисертаційна робота присвячена підвищенню експлуатаційних показників канатних систем для завантаження малих складських приміщень сільськогосподарськими продуктами у тарі шляхом розроблення нових конструкцій механізмів та їх окремих елементів з обґрунтуванням раціональних параметрів.; The thesis under discussion is devoted to the increase of rope system performance for small warehouses loading with agricultural products in containers by means of the development of new design of mechanisms and their separate parts including the substantiation of the most efficient parameters.