Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

На правах рукописи

Костенко Михаил Юрьевич

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Рязань – 2011

Работа выполнена на инженерном факультете ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

В.Ф.Некрашевич (ФГОУ ВПО РГАТУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.А.Макаров

ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии

доктор технических наук, профессор

В.И.Старовойтов

ГНУ ВНИИКХ Россельхозакадемии

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор А.А.Цымбал

ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии

Ведущее предприятие: ГНУ ВИМ Россельхозакадемии

Защита состоится «26» апреля 2011 года в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1, ФГОУ ВПО РГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Автореферат разослан « » _______2011 года.

Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ВАК [email protected] .

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Шемякин А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В мировом производстве картофеля задействовано около 18 млн. га посадочных площадей. Свыше 40% мирового производства сосредоточено в Китае, Индии и России. В Российской Федерации в 2009 году картофель выращивали на площади 2,2 млн. га, валовой сбор составил 31,1 млн. т при средней урожайности 14,1 т/га.

Принятая в Рязанской области региональная программа «Картофель» на 2009-2012 годы дала импульс развитию картофелеводства. В 2009 году в сельхозпредприятиях и крестьянских фермерских хозяйствах Рязанской области картофель был размещен на площади 5,6 тыс. га (плюс 2,1 тыс. га к 2008 году). В этих хозяйствах собрано 126,4 тыс. тонн, урожайность составила 23,81 т/га. Во всех категориях хозяйств собрано 450,3 тыс. тонн картофеля (плюс 66,7 тыс. тонн к 2008 году).

При уборке картофеля в дождливую и холодную погоду и при невызревших клубнях, наносятся значительные механические повреждения - нередко до 40-60% и более, в связи, с чем снижается его качество и лежкость при хранении. Даже при удовлетворительных условиях потери урожая картофеля достигают 25-30%. Из них при механизированной уборке – до 13 %, при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке – до 5-9 %, и при хранении и сортировке – до 7-10%.

Цель исследований. Повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.

Объект исследований. Технологии производства картофеля, картофелеуборочные машины и их рабочие органы, свойства компонентов картофельного вороха, способы оперативного контроля качества уборки картофеля.

Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов рабочих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля.

Методика исследования. Теоретический анализ работы подкапывающих и сепарирующих рабочих органов и способов контроля качества уборки картофеля проведены с использованием методов теории вероятностей и механико-математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием частных и отраслевых методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. При обработке результатов исследований использовалась программа «STATISTICA». Оценка полевых испытаний картофелеуборочных машин и способов контроля повреждений клубней картофеля проводилась согласно ОСТ 10.8.5 -87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методика испытаний».

Научная новизна работы представлена: совокупностью технологических приемов, образующих технологию уборки картофеля в сложных полевых условиях, включающую подкапывание клубненосного пласта с применением приводных подкапывающих рабочих органов; сепарацию с применением элеваторов, оснащенных активными прутками и активаторами; систему оперативного контроля технологического процесса картофелеуборочных машин, включающую способ и прибор оперативного определения повреждений клубней, устройство поддержания загрузки элеватора. Научная новизна обеспечена: теоретическими и экспериментальными моделями энергозатрат подкапывающего рабочего органа; вероятностной моделью процесса сепарации почвы на прутковом элеваторе, учитывающей фракционный состав картофельного вороха; теоретической моделью кинематики и динамики активных прутков элеватора с «бегущими каскадами»; теоретическим обоснованием способа и прибора для контроля повреждений картофеля методом повышения давления; аналитическими выражениями для установки датчиков контроля просева почвы прутковым элеватором. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение №1813344, №2042307, №2147121, №2164738, №2212779, №2243556, №2350066, и на полезную модель №13595, № 23989, № 30488, №79009, №81031, №90229.

Практическая ценность работы. Разработана технология уборки картофеля, которая позволяет повысить работоспособность картофелеуборочных машин в сложных полевых условиях и обеспечить высокое качество убранного урожая, низкие повреждения и потери картофеля. Результаты исследований нашли практическое применение в модернизированных картофелекопателях КТН-2В, КСТ-1,4, копателях-погрузчиках Е-684 и картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01 и DR-1500.

Производственная проверка показала эффективность технологии уборки картофеля с применением инновационных решений в конструкции и настройке и поддержании режимов уборочных машин.

Реализация результатов исследований. Модернизированные картофелеуборочные машины прошли хозяйственные испытания и внедрены в хозяйствах Рязанского, Спасского и Михайловского районов Рязанской области.

Материалы исследований были переданы ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля, ОАО «Фирма «Комбайн»», используются в учебном процессе инженерного факультета ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» и ряде других вузов.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждались на научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1994 г.), Чувашской ГСХА (1998 г.), межрегиональной научной конференции Мичуринского аграрного университета (2000 г.), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2002, Рязанского государственного агротехнологического университета (1994…2010 г.), на Вавиловских чтениях – 2010(г. Саратов).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 53 печатных работ, в том числе: 8 статей по списку ВАК и 13 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, семи разделов, общих выводов, списка литературы из 251 наименований и приложений. Работа изложена на 462 страницах, из которых 334 страницы – основной текст, содержит 33 таблиц и 120 рисунков.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народно-хозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ технологий возделывания и уборки картофеля, рабочих процессов уборочных машин и контроля качества во время уборки картофеля» дан краткий анализ существующих технологий, способов и технических средств для уборки, оперативного контроля качества картофеля и регулирования технологических процессов картофелеуборочных машин.

Значительный вклад в обоснование кинематических режимов работы дисков почвообрабатывающих машин внесли В.П. Горячкин, И.А. Веденеев, В.И. Медведев, Г.Н. Синеоков, А.А. Сорокин, В.А. Хвостов, ими рассматривается силовое взаимодействие дисковых рабочих органов с почвой.

В работах Е.А. Непомнящего, В.М. Цециновского, Н.И. Шоренко, В. Фишера изучалась возможность просеивания частиц в совокупности с другими частицами. Большинство авторов: Н.В. Бышов, Н.И. Верещагин, В.П. Горячкин, Н.Н. Колчин, Н.И. Кривогов, М.Н. Летошнев, М.Е. Мацепуро, Г.Д. Петров, А.А. Сорокин, М.Б. Угланов, Н.В.Фирсов, В.А. Хвостов в своих работах выражают мнение, что при сепарации почвенно-картофельного вороха эффективность разделения компонентов определяется кинематическими режимами работы сепараторов. Анализ научно-исследовательских работ показывает, что на подкапывание и сепарирование приходится, примерно, 70% энергозатрат, 60% потерь клубней, 40% повреждений.

Исследованием повреждений клубней картофеля в процессе их уборки в разное время занимались многие учёные, среди них: И.С. Бацанов, Л.П.Безрукий, А.И. Бжезовская, В.К. Бойко, Н.И. Верещагин, С.А. Герасимов, Е.А. Глухих, Н.Н. Колчин, С.Н. Крашенинников, Н.И. Кривогов, М.И. Ламм, М.Е. Мацепуро, Р.М. Махароблидзе, В.С. Митрофанов, И.М.Полуночев, С.Ф.Полищук, В.И. Табачук и другие.

Анализ технологий возделывания, конструкций картофелеуборочных машин и выполненных работ позволил определить основные направления совершенствования технологии уборки, рабочих органов картофелеуборочных машин и способов контроля качества уборки картофеля.

Во втором разделе «Проблема механизированной уборки картофеля в сложных полевых условиях» представлена научная проблема, обоснована цель и задачи исследований.

Под уборкой в сложных полевых условиях мы понимаем уборку на почвах, тяжелых по механическому составу, повышенной и пониженной влажности, а также при температуре воздуха ниже 5⁰С и невызревшем картофеле. Всесторонний анализ проблемы механизированной уборки картофеля и моделей работы уборочных машин позволил нам разработать технологическую модель комбайна КПК -2.01, в которой учтено взаимное расположение рабочих органов и рассмотрены основные факторы, определяющие работоспособность в сложных полевых условиях и обеспечивающие высокое качество убранного урожая (рис.1).

Работоспособность в сложных полевых условиях и эффективность картофелеуборочной машины будет определяться технологичностью конструкции, скоростью агрегата и рациональным выбором режимов рабочих органов уборочной машины.

Комбайновая уборка возможна на тяжелых почвах, имеющих хорошую структурность, при влажности почвы 16…25%, содержании камней не более 2 т/га и растительных остатков не более 6 т/га.

Подкапывающие рабочие органы должны обеспечивать работу на рабочих скоростях от 2 до 7 км/ч, разрушать почвенные комки и структуру пласта, ограничивать поступление лишней почвы, особенно из междурядий, перерезать растительные остатки, хорошо транспортировать (передавать) пласт на сепарирующий элеватор. Эффективность работы подкапывающих рабочих органов характеризуется отсутствием сгруживания, значительных повреждений (не более 1..2 резаных на 200…300 клубней), потерь не более 0,5% и хорошей сепарируемостью почвы на элеваторе.

Сепарирующие рабочие органы разрушают клубненосный пласт и обеспечивают просеивание почвенных компонентов картофельного вороха. Для исключения повреждений картофеля между клубнями и прутками элеватора необходима почвенная прослойка. Сепарирующая способность элеваторов регулируется работой интенсификаторов. Эффективность работы сепарирующих рабочих органов характеризуется сепарирующей способностью 0,8…0,9 и степенью повреждений клубней картофеля не более 2,0%.

- перспективные направления совершенствования

Контролируемые параметры: Пв – повреждения клубней; Пр - примеси (мелкая почва, почвенные комки, камни, растительные остатки); Пт – потери клубней; ε – сепарирующая способность. Регулируемые режимы и параметры рабочих органов: V – скорость уборочного агрегата; а – глубина подкапывания; ω – угловые скорости отрезающих дисков и интенсификаторов элеватора; α – угол наклона горки; Np – количество вспомогательных рабочих.

Рисунок 1 – Технологическая модель работы модернизированного картофелеуборочного комбайна КПК –2.01

Получение высоких урожаев картофеля возможно на богатых гумусом почвах, однако комбайновая уборка на тяжелых почвах затруднена, а при высокой влажности почвы практически невозможна. Решение научной проблемы уборки в сложных полевых условиях заключается в разработке усовершенствованных картофелеуборочных машин и комбайнов с активными рабочими органами, оперативного контроля качества уборки, а также средств управления технологическим процессом уборочной машины.

Для повышения эффективности работы картофелеуборочного комбайна на всех этапах технологического процесса проводится оперативный контроль повреждений и потерь клубней, а также содержания примесей. Это позволяет вести обоснованный выбор режимов рабочих органов на основе объективных данных. Для поддержания установленных режимов работы уборочной машины и обеспечения рациональной загрузки рабочих органов картофельным ворохом применяется устройство контроля просева почвы прутковым элеватором.

Анализ проблемы уборки картофеля в сложных полевых условиях позволил сформулировать научную проблему и задачи исследований:

- проанализировать технологические приемы возделывания и уборки картофеля и на их основе определить перспективные направления повышения качества подкапывания и сепарирования;

- разработать конструктивно-технологическую схему подкапывающего рабочего органа и исследовать его кинематические и силовые параметры;

- разработать конструктивно-технологическую схему сепарирующего элеватора, исследовать его кинематику и обосновать режимы работы;

- исследовать сепарацию картофельного вороха;

- исследовать силовое взаимодействие картофельного вороха с элементами конструкции элеватора и обосновать параметры активатора и комбинированных прутков сепарирующего элеватора;

- обосновать способ и разработать технические средства оперативного контроля повреждаемости картофеля рабочими органами картофелеуборочных машин;

- исследовать повреждаемость клубней картофеля рабочими органами различной конфигурации;

- обосновать технологию настройки уборочной машины и способы поддержания рациональных режимов работы на основе контроля процесса сепарирования и повреждаемости клубней картофеля;

- определить технико-экономическую эффективность разработанных технологий уборки картофеля и качественных показателей уборочных машин.

В третьем разделе «Исследование активных подкапывающих рабочих органов» представлены исследования силового взаимодействия активных подкапывающих рабочих органов с почвой и обоснование их параметров и режимов работы.

Производительность и качество выполнения технологического процесса картофелеуборочной машины существенно зависит от состояния клубненосного пласта, поступающего на рабочие органы машины. Поэтому уже в процессе подкапывания необходимо воздействовать на пласт с целью ограничения захвата «свободной» почвы и почвенных комков, крошения пласта. С другой стороны подкапывающие рабочие органы должны способствовать передаче клубненосного пласта на сепарирующий элеватор. Конструктивно-технологическая схема рабочего органа включает опорно-опрессовывающий каток вертикально расположенные диски, имеющие привод от гидромоторов, и установленный между ними секционный лемех (рис. 2). На приводных внешних дисках для улучшения сцепления и транспортировки клубненосного пласта могут устанавливаться грунтозацепы, выполненные в соответствии с конструкцией, защищенной патентом №1813344.

1- секционный лемех; 2- приводной отрезающий диск; 3- грунтозацепы; 4- пассивный отрезающий диск; 5- гидромотор; (опорно-опрессовывающий каток не показан)

Рисунок 2- Схема экспериментального подкапывающего органа

При подкопе клубненосный пласт подрезается секционным лемехом 1. Диски обрезают пласт с обеих сторон, ограничивая захват уплотненной почвы из междурядий и перерезая растительные остатки. Привод отрезающих дисков обеспечивает окружную скорость грунтозацепов выше поступательной скорости пласта. В результате разницы скоростей и внедрения грунтозацепа клубненосный пласт разрушается с боков и транспортируется на сепарирующий элеватор.

Количество поступающей почвы во многом зависит от формы и взаимного расположения элементов подкапывающего рабочего органа. Сравнивая поперечные силуэты подкапывающего рабочего органа комбайна КПК-2.01 и предложенного рабочего органа, установлено уменьшение захвата почвы. Так при глубине подкапывания 0,20 м предложенный рабочий орган забирает почвы на 3…5% меньше в сравнении с серийным (КПК-2.01), при увеличении глубины подкапывания до 0,22 м при глубокой посадке картофеля или при рассыпании грядки поступление почвы снижается на 10…12%.

Для анализа силового взаимодействия приводного диска с почвой, используя графо-аналитический метод В.П. Горячкина, мы получили аналитические выражения для крутящего момента и силы тяги диска с учетом, что сила бокового давления является функцией от глубины погружения диска.

Силовое взаимодействие боковой поверхности диска с почвой представлено на (рис. 3). Диск располагаем в прямоугольной системе координат, начало которой находится в центре диска, ось OY направлена вертикально вниз, ось OX - горизонтально в направлении поступательной скорости движения.

Сложное движение диска включает поступательное перемещение и вращение относительно центра диска. Это движение можно представить как движение относительно мгновенного центра скоростей.

Тогда на каждой элементарной площадке боковой поверхности диска со стороны почвы действует элементарная сила трения dF, направленная против мгновенной скорости .

Рисунок 2 - Схема силового взаимодействия активного диска с почвой.

Преобразовав выражение для силы тяги диска с учетом выражения r=R/λ и проинтегрировав, получим:

, (1)

где R - радиус диска;

a- глубина хода диска в почве;

f - коэффициент трения почвы по поверхности диска;

р - давление почвы на боковую поверхность диска, зависящее от глубины погружения (p=p(a));

dxdy - элемент площади;

у - расстояние от элементарной площадки до оси ОY;

х - расстояние от элементарной площадки до оси ОХ;

r - расстояние от центра диска до мгновенного центра скоростей;

λ - кинематический режим - соотношение окружной и поступательной скоростей диска.

Общий момент на валу диска пропорционален площади контакта его боковой поверхности с почвой. В процессе взаимодействия на участках боковой поверхности диска возникают силы трения, способствующие вращению дисков. Причем, чем выше кинематический режим работы дисков, тем меньше проявляется их влияние. В нормальных условиях работы при переходных режимах вращение дисков происходит в результате суммирования пассивного и активного потребляемого на привод крутящих моментов на валу диска.

М_общ = М₁+М₂ (2)

Тогда потребляемый крутящий момент на привод диска будет равен разнице общего и пассивного моментов:

М₂ = М_общ- М₁ (3)

Потребляемый крутящий момент на привод дисков равен:

(4)

Обоснование геометрических и энергетических показателей работы активного диска имеет большое значение при конструировании подкапывающих органов картофелеуборочных машин. Полученные аналитические зависимости тягового сопротивления и моментов сил трения боковой поверхности диска от кинематического режима работы диска представлены на рисунке 3.

С увеличением кинематического режима, то есть соотношения окружной и поступательной скоростей диска, происходит изменение знака тягового сопротивления, и диск создает дополнительную силу тяги. Наибольший прирост тягового усилия наблюдается при кинематическом режиме λ= 2.2, дальнейшее увеличение частоты вращения дисков при фиксированном значении поступательной скорости до λ=3 вызывает повышенный расход мощности, так как рост тягового усилия ограничивается.

Влияние пассивного крутящего момента проявляется при кинематических режимах работы дисков λ=0,9…1,3. Потребляемый крутящий момент на привод дисков имеет минимальные значения при кинематических режимах λ= 1,7 ... 2.,2. Потребляемый момент на привод дисков при кинематических режимах λ > 2 совпадает с общим крутящим моментом, а пассивный момент в этом случае стремится к нулю.

М_общ – общий крутящий момент; M₂ – потребный момент на привод дисков; М₁ – пассивный момент; R_Т – тяговое усилие диска; λ- кинематический режим.

Рисунок 3 - Зависимость силового взаимодействия активного диска с почвой.

Также были получены зависимости общего крутящего момента и тягового сопротивления в функции от радиуса диска. Зависимость и монотонно возрастают с увеличением радиуса. При этом сила тяги диска возрастает значительно быстрее, чем потребляемый крутящий момент на привод. Таким образом, транспортирующая способность дисков возрастает с увеличением радиуса диска.

Лабораторные экспериментальные исследования проводились на почвенном канале ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева». При проведении испытаний использовалась тензометрическая установка, смонтированная при участии ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля. В качестве измерительного элемента для регистрации тягового сопротивления использовалось универсальное тракторное звено УТТЗ-1,5. Для регистрации контролируемых параметров применялись: осциллограф шлейфовый Н0443 с регистрацией сигналов на фотобумаге, усилитель 8АНЧ-7М, токосъемники ТРАП-45. Частота вращения боковых дисков измерялась с помощью специальных счетчиков - герконов и постоянных магнитов, закрепленных на дисках. Определение вертикального и горизонтального усилия осуществлялось с помощью оси, на которую наклеивали тензодатчики.

Уравнение регрессии при планировании эксперимента рассчитывалось по программе "STATISTICA" версия 6, в результате обработки результатов таблицы были получены следующие уравнения.

R_T =-1179,8 + 3038,6υ – 6,76n – 691.66υ² – 6.32υn +0.084n² , (5)

где υ- скорость движения подкапывающего рабочего органа, м/с;

n- частота вращения приводного диска, об/мин;

R_T – тяговое сопротивление, Н.

M= 321,54 – 168,89 υ+ 2,42 n + 65,28 υ² – 0,98 υ n -0,003 n², (6)

где M – крутящий момент, Нм.

На основании уравнений 5 и 6 построены поверхности отклика и контурные графики зависимостей тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа и крутящего момента приводного диска (рис. 4,5). В результате исследований установлено, оптимальное значение кинематического режима активного диска составляет λ=1,7, что соответствует наименьшим энергозатратам на привод диска. Диапазон регулирования частоты вращения дисков диаметром 0,70 м подкапывающего рабочего органа, движущего со скоростью 1,2...1,8 м/с составляет от 85 об/мин до 110 об/мин. Такой режим работы активных отрезающих дисков требует определенных затрат энергии на привод дисков.

Мощность на преодоление тягового сопротивления предложенного рабочего органа определится выражением

N₁= R_T υ (7)

где N₁- мощность тяговая, Вт;

υ - скорость рабочего органа, м/с;

R_T - тяговое сопротивление, Н.

С другой стороны мощность расходуется на привод дисков, создающих крутящий момент и дополнительное тяговое усилие

N₂=Mω (8)

где N₂ – мощность на привод дисков, Вт;

М - крутящий момент дисков, Нм;

ω - угловая скорость вращения дисков, с.

Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа

= R_Tυ + Mω (9)

где - общая мощность на привод рабочего органа.

Рисунок 4 –Контурный график зависимости тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа от его скорости (Var1) и частоты вращения (Var2) приводного диска.

Рис. 5 - Контурный график зависимости крутящего момента активного диска от его частоты вращения(Var2) и скорости подкапывающего рабочего органа(Var1).

Для определения наиболее экономичного режима работы подкапывающего рабочего органа была проведена специальная серия экспериментов по исследованию влияния кинематического режима работы дисков на энергозатраты подкапывающего рабочего органа. На основе результатов опытов была получена математическая модели процесса в виде уравнения регрессии.

= -7371.86 + 8839.44υ+ 50.96n – 1559.64υ² – 26.42υn + 0.072n² . (10)

На основании уравнения 10 построены поверхности отклика и контурные графики зависимости потребляемой мощности подкапывающего рабочего органа от скорости рабочего органа и частоты вращения приводных дисков (рис.6).

Рис. 6 - Контурный график зависимости потребляемой мощности подкапывающего рабочего органа от частоты вращения приводного диска(Var2) и скорости его движения(Var1).

Полученная зависимость представленная на рис. 6 показывает, что величина мощности подкапывающего рабочего органа зависит от мощности на привод дисков и на передвижение рабочего органа. Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа при повышенных кинематических режимах работы дисков λ > 2,5 определяется, в основном, мощностью на привод дисков. Поэтому, в целях ограничения энергозатрат кинематический режим работы дисков следует выбирать не выше 2,2.

Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин 📙 Дипломная → 🆔 20531