Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів малогабаритного самохідного обприскувача

Abstract

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.