Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів універсальної картоплесаджалки

Abstract

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.