Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы. цель и задачи исследований ... 15
1.1 Анализ способов и средств удаления ботвы лука и сорных растений перед уборкой 16
1.1.1 Средства механизации удаления ботвы 17
1.1.2 Рабочие органы для удаления ботвы овощных культур и корнеклубнеплодов 20
1.2 Анализ существующих способов и средств выкопки лука-севка 27
1.2.1 Ручная выкопка лука-севка 29
1.2.2 Средства частичной механизации выкопки лука-севка 29
1.2.3 Средства полной механизации выкопки лука-севка 30
1.3 Анализ существующих способов и средств сепарации вороха лука севка при машинной уборке 49
1.3.1 Анализ рабочих органов для сепарации вороха лука-севка машинной уборки 50
1.4 Анализ существующих способов и средств подбора лука-севка из валков 61
1.4.1 Ручной подбор лука-севка 63
1.4.2 Подбор лука-севка с частичной механизацией 63
1.4.3 Механизированный подбор лука-севка 63
Выводы. Цель и задачи исследования 78
2 Разработка энергосберегающих технологий и технических средств для уборки лука и их функциональное описание 80
Выводы 98
3 Теоретические исследования технических средств для уборки лука 100
3.1 Теоретическое исследование процесса удаления ботвы лука и сорных растений обрезчиком 100
3.1.1 Определение угловой скорости вращения рабочего органа обрезчика ботвы лука и сорных растений 101
3.1.2 Обоснование конструктивных и режимных параметров рабочего органа обрезчика 104
3.1.3 Определение угла установки рабочих органов обрезчика ботвы лука и сорных растений
3.1.4 Обоснование действия аэродинамических сил на процесс удаления ботвы лука и сорных растений 112
3.2 Теоретическое исследование технологического процесса выкопки лука-севка выкапывающе-сепарирующим рабочим органом 126
3.2.1 Определение траектории движения конца лопасти битера и стержня ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа... 127
3.2.2 Определение силы, обеспечивающей теребление луковиц за ботву 130
3.2.3 Определение геометрических параметров выкапывающе сепарирующего рабочего органа 133
3.2.4 Определение длины участка перемещения луковицы при тереблении 136
3.2.5 Обоснование процесса удаления почвенных примесей из внутренней полости ротора 137
3.2.6 Определение взаимного расположения ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа и переднего вала приемного транспортера 142
3.3 Теоретическое исследование технологического процесса сепарации вороха лука-севка при машинной уборке 148
3.3.1 Определение расположения переднего барабана горки
относительно заднего барабана подающего транспортера 148
3.3.2 Определение угла наклона пальцев горки к горизонтали 157
3.3.3 Определение глубины проникновения луковицы между пальцами.. 158
I 3.3.4 Определение координаты взаимного расположения центров заднего вала горки и вала щетки 162
3.4 Теоретическое исследование технологического процесса подбора валка лука-севка вальцово-битерным подбирающим устройством... 165
3.4.1 Обоснование конструктивных параметров подкапывающего лемеха вальцово-битерного подбирающего устройства 166
3.4.2 Определение диаметра шестигранного вала 168
3.4.3 Уравнения траекторий движения произвольных точек поверхности шестигранного вала 170
3.4.4 Определение скоростей движения произвольных точек поверхности шестигранного вала 173
3.4.5 Определение диаметра вальцов подбирающего устройства 175
3.4.6 Определение частоты вращения вальцов подбирающего устройства 177
3.4.7 Определение радиуса битера подбирающего устройства 178
Выводы 181
4 Программа и методика экспериментальных исследований 183
4.1 Физико-механические свойства лука, определяющие качество уборки 183
4.1.1 Биологическая особенность лука и условия проведения опытов 184
4.1.2 Методика проведения исследования физико-механических свойств посевов лука перед уборкой, лука-севка и валка лука севка во время уборки 190
4.2 Экспериментальные исследования обрезчика ботвы лука и сорных растений... 197
4.2.1 Лабораторные исследования рабочего органа обрезчика ботвы лука и сорных растений 197
4.2.2 Полевые исследования обрезчика ботвы лука и сорных растений... 203
( 4.3 Экспериментальные исследования выкапывающе-сепарирующего рабочего органа копателя лука-севка 210
4.3.1 Лабораторные исследования выкапывающе-сепарирующего рабочего органа 210
4.3.2 Полевые исследования экспериментального копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом 214
4.4 Экспериментальные исследования транспортерно-пальчатого сепа рирующего устройства лукоуборочной машины 221
4.4.1 Лабораторные исследования транспортерно-пальчатого сепарирующего устройства лукоуборочной машины 221
4.4.2 Полевые исследования экспериментальной лукоуборочной маши ны с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством 225
4.5 Экспериментальные исследования вальцово-битерного подбирающего устройства подборщика лука-севка 232
4.5.1 Лабораторные исследования вальцово-битерного подбирающего устройства 232
4.5.2 Полевые исследования экспериментального подборщика с вальцово-битерным устройством на подборе валка лука-севка... 236
4.6 Энергетическая оценка технологии и технических средств для уборки лука 245
Выводы 252
5 Результаты и анализ экспериментальных исследований 253
5.1 Результаты исследований физико-механических свойств посевов лука перед уборкой, лука-севка и валка лука-севка во время уборки 253
5.2 Результаты и анализ экспериментальных исследований обрезчика ботвы лука и сорных растений 264
5.2.1 Результаты и анализ лабораторных исследований рабочего органа обрезчика ботвы лука и сорных растений 264
5.2.2 Результаты и анализ полевых исследований обрезчика ботвы лука и сорных растений 270
5.3 Результаты и анализ экспериментальных исследований выкапы вающе-сепарирующего рабочего органа копателя лука-севка 277
5.3.1. Результаты и анализ лабораторных исследований выкапывающе сепарирующего рабочего органа 277
5.3.2 Результаты и анализ полевых исследований копателя лука севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом 283
5.4 Результаты и анализ экспериментальных исследований транспортерно-пальчатого сепарирующего устройства лукоуборочной машины 291
5.4.1 Результаты и анализ лабораторных исследований транспортерно пальчатого сепарирующего устройства 291
5.4.2 Результаты и анализ полевых исследований лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством 296
5.5 Результаты и анализ экспериментальных исследований вальцово битерного подбирающего устройства подборщика лука-севка 299
5.5.1 Результаты и анализ лабораторных исследований вальцово битерного подбирающего устройства 299
5.5.2 Результаты и анализ полевых исследований подборщика лука севка с вальцово-битерным подбирающим устройством 3 05
Выводы 311
6 Экономическая эффективность энергосберегающих технологий и технических средств для уборки лука 314
6.1 Технико-экономическая эффективность использования обрезчика ботвы лука и сорных растений 314
6.2 Технико-экономическая эффективность использования экспериментального копателя лука-севка с выкапывающе сепарирующим рабочим органом 323
6.3 Технико-экономическая эффективность использования экспериментальной лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством 326
6.4 Технико-экономическая эффективность использования экспериментального подборщика лука-севка с вальцово-битерным подбирающим устройством 330
Выводы 333
Общие выводы 335
Литература
- Рабочие органы для удаления ботвы овощных культур и корнеклубнеплодов
- Обоснование действия аэродинамических сил на процесс удаления ботвы лука и сорных растений
- Теоретическое исследование технологического процесса сепарации вороха лука-севка при машинной уборке
- Лабораторные исследования рабочего органа обрезчика ботвы лука и сорных растений
Введение к работе
Актуальность работы. Перед сельским хозяйством нашей страны стоят задачи полного удовлетворения возрастающих потребностей населения высококачественными продуктами питания и отраслей перерабатывающей промышленности – сырьем.
В соответствии с планами реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» одним из основных направлений является развитие отрасли овощеводства, которая должна обеспечивать получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур с использованием современных технологий и комплексной механизации всех технологических операций.
Несмотря на специализацию хозяйств и механизацию ряда трудоемких процессов (предпосевная обработка почвы, посев, междурядная обработка и др.) трудозатраты на возделывание овощных культур, особенно лука, еще велики, при этом более 60 % трудозатрат и 50 % энергозатрат приходится на работы, связанные с его уборкой, послеуборочной обработкой и хранением. Снижения себестоимости и повышения качества собранного урожая можно добиться не только использованием новых сортов, но и применением новых машин и энергосберегающих технологий.
Разработанные конструкторскими и научно-исследовательскими организациями лукоуборочные машины не полностью отвечают агротехническим требованиям, предъявляемым к уборке, особенно при уборке лука-севка, а на тяжелых почвах – и при уборке репчатого лука. Зарубежные аналоги хотя и значительно ближе к выполнению агротехнических требований, но, имея высокую стоимость, практически не доступны отечественным хозяйствам.
Поэтому разработка надежных в работе машин для уборки мелкоразмерных корнеклубнеплодов в широком диапазоне почвенно-климатических условий, обеспечивающих получение качественной продукции при минимальных трудозатратах и отвечающих агротехническим требованиям, и составляет научную проблему, от решения которой зависит повышение производительности труда в этой области сельскохозяйственного производства и обеспечение населения РФ ценной продовольственной продукцией.
Поэтому тема, посвященная совершенствованию технологий и разработке технических средств для уборки лука, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.
Работа проводилась в соответствии с «Программамой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006…2010 гг.», согласно заданию 02 по научному обеспечению овощеводства открытого грунта «Создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп овощной продукции» (разработка комплекса машин для производства лука в условиях Средневолжского региона), а также темой № 31 НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» «Совершенствование технологии и технических средств, позволяющих снизить затраты труда и потери продукции при уборке сельскохозяйственных культур».
Цель исследований. Совершенствование технологий и разработка технических средств для уборки лука, повышающих производительность машинно-тракторного агрегата, энергетическую эффективность и улучшающих качество продукции.
Объект исследований. Технологический процесс работы технических средств, осуществляющих удаление ботвы лука и сорных растений, выкопку, сепарацию и подбор лука.
Предмет исследований. Режимы работы, конструктивно-технологические параметры и эксплуатационные показатели (производительность и энергоемкость) технических средств, обеспечивающие качество уборки лука.
Научную новизну работы представляют:
энергосберегающие технологии и технические средства для уборки лука-севка и лука-репки, обеспечивающие повышение производительности машинно-тракторного агрегата и качества продукции;
математическое обоснование работы технических средств для уборки лука;
функциональное обоснование и математическая модель технологии уборки лука;
расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных режимов работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров технических средств для уборки лука.
Новизна предложенных технических решений для уборки лука подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретение №2182415, № 2240673, № 2240671, № 2339208.
Практическая значимость работы. Результаты исследований использовались ОАО «Завод Белинсксельмаш» (г. Каменка Пензенской обл.) при изготовлении экспериментальной лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством и ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк Пензенской области) при изготовлении экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений, копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом и подборщика лука-севка с вальцово-битерным подбирающим устройством. Применение экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений позволило увеличить производительность на 14 %, полноту удаления на 10 % и снизить повреждения лука на 13 % по сравнению с двухбарабанным обрезчиком. Применение экспериментального копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом позволило повысить производительность выкопки на 12 %, уменьшить потери лука-севка на 0,7 % и содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 6,5 % по сравнению с лукоуборочной машиной МЛС-1,4. Применение экспериментальной лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством позволило снизить содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 4,4 %. Применение экспериментального подборщика на подборе валка лука-севка позволило увеличить производительность подбора на 10 %, снизить потери лука-севка на 1,5 %, содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 5,4 % и повреждение луковиц на 0,5 % по сравнению с базовым подборщиком лука ППЛ-0,8.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными лабораторными исследованиями рабочих органов и полевыми исследованиями технических средств на уборке лука, а также высокой степенью сходимости лабораторных и полевых исследований.
Реализация результатов исследований. Разработанные технические средства для уборки лука использованы при создании совместно с ОАО «Завод Белинсксельмаш» (г. Каменка Пензенской обл.) лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством, с ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва), ОАО «ВИСХОМ» (г. Москва) и ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк Пензенской области) – экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений, копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом и подборщика лука-севка с вальцово-битерным подбирающим устройством.
Машины для уборки лука внедрены в ГНУ ВНИИО Россельхозакадемии (г. Москва), СПК «Присурское», ООО «Агрокомплект» Пензенской области и КФХ «Цай Генадий Афанасьевич» Саратовской области.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2000–2009 гг.), ФГОУ ВПО «Рязанская ГСХА» (2000 г.), ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2003–2005 гг.), Академия наук о земле (Москва, 2007 г.), ГНУ ВНИИО (2009 г.); на всероссийских научно-практических конференциях Ижевской ГСХА (2005 г.), Ульяновской ГСХА (2008 г.); на международных научно-практических конференциях Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (2004, 2005 гг.).
Комплекс машин для уборки лука экспонировался на II-ом инвестиционном форуме Пензенской области «Экономика стимулов: региональная модель» (2008 г.). Работа отмечена дипломом II степени.
Работе «Разработка опытного образца комплекса машин для уборки лука» Департаментом научно-технической политики Министерства сельского хозяйства РФ присвоен регистрационный номер 0120.0 807449.
Работа стала победителем конкурса на грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых в 2008 году (МК-522.2008.8).
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
энергосберегающие технологии и технические средства для уборки лука, повышающие производительность труда, качество уборки и энергетическую эффективность;
математическое описание процесса работы технических средств для уборки лука;
математическая модель технологического процесса уборки лука;
расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных режимов работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров технических средств для уборки лука.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 печатные работы, в том числе получено четыре патента РФ на изобретение, изданы 4 монографии, 14 статей опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК», пять – без соавторов. Общий объем публикаций составляет 71,4 п.л., из них автору принадлежит 32,4 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 272 наименований и приложения на 60 страницах. Диссертация изложена на 366 страницах, содержит 41 таблицу и 141 рисунок.
Рабочие органы для удаления ботвы овощных культур и корнеклубнеплодов
Специфической особенностью уборки лука является потребность в таком агротехническом приеме как дозревание или просушивание луковиц после выкопки. С учетом этой особенности различают два способа уборки: - двухфазный, при котором лук после подкапывания и частичной сепарации почвы укладывается в валок с последующим механизированным подбором после вылеживания в течение 10... 14 дней для просушки и дозревания. Удаление ботвы в этом случае производится после подбора на стационаре (в редких случаях - в уборочной машине); - однофазный, при котором ботва обрезается «на корню», а луковицы после выкапывания и сепарации почвенных примесей грузятся в транспортное средство и отвозятся в сушилку - хранилище. В этом случае применяется как прямое комбайнирование, так и раздельный способ уборки.
Как показали исследования, на период уборки засоренность полей достигает 30...40 %, при этом высота сорных растений доходит до 50 см, что связано с запаздыванием уборки, особенно в дождливое время.
Причем, качественная работа лукоуборочных машин обеспечивается лишь при надлежащей подготовке поля перед уборкой. Даже незначительное содержание растительных примесей (свободная ботва, сорняки) 2...4% (по агротехническим требованиям - до 5%) делает ворох непригодным ни для реализации, ни для хранения.
Поэтому вопрос о подготовке поля для выкопки лука лукоуборочными машинами является актуальным. Для удаления ботвы лука используются, как правило, роторные косилки с измельчением ботвы и разбрасыванием ее по полю или с погрузкой ее в ря 17 дом идущий транспорт, например, как в косилке КИР-1,5 или в бункер, как в машинах УБД-ЗА, КИР-1,5Б. Из—за неравномерного расположения луковиц относительно поверхности поля роторные косилки не в состоянии обеспечить обрезку ботвы в соответствии с действующими агротехническими требованиями, что часто приводит к повреждению луковиц.
Разработкой и обоснованием параметров ботвоудаляющих машин и анализом их работы занимались: В.А. Хвостов [10, 11], Э.С. Рейнгарт [5, 12], И.И. Мейлахс [13, 14], В.Ф. Первушин [15], В.А. Белокобыльский [16], Г.Д Петров [8] и другие исследователи [17, 18, 19, 20, 21].
Для удаления ботвы овощных культур перед уборкой были разработаны различные образцы машин и устройств.
Устройство, разработанное в Научно-производственном объединении по сельскохозяйственному машиностроению и Научно-исследовательском институте овощного хозяйства (а.с. №1579478) (рисунок 1.1) [22] содержит раму, выполненную из шарнирно соединенных между собой передней 1 и задней 2 по ходу технологического процесса частей и обрезающий аппарат 3 роторного типа. На задней части рамы 2, несущей обрезающий аппарат 3 и ботвоподъемник 4 с механизмом привода 5 от вала отбора мощности энергетического средства, установлены ограничитель 6 перемещения обрезающего аппарата 3 в вертикальной плоскости и копир (полозки) 7. Ботвоподъемник 4 выполнен в виде барабана с эластичной поверхностью, при этом линия, соединяющая центры диаметров ножевого ротора обрезающего аппарата и бот-воподъемника, расположена под углом сс=23...27 градусов, к поверхности поля.
На передней части рамы с присоединительными к навесной системе элементами установлен копирующий элемент 9. Задняя часть рамы в средней части по ширине захвата закреплена на передней части рамы 1 посредством установленного на продольной оси симметрии устройства универсального шарнира 10 с дополнительной опорой о переднюю часть рамы в горизонтальном направлении при помощи упоров 11 через ролики 12 и в вертикальном направлении при помощи разгружающих пружин 13.
Кроме того, между передней 1 и задней 2 частями рамы на ширине захвата установлена дополнительная связь посредством двух регулируемых по длине дистанционных цепей 14. Копирующий элемент 9 выполнен в виде двух колес, расставленных на ширину обрабатываемого полотна. Ограничитель перемещения обрезающего аппарата выполнен в виде колеса, закрепленного с регулируемым зазором над обрабатываемым полотном, причем опорная поверхность ограничителя перемещения установлена ниже ножевого ротора обрезающего аппарата, но выше опорной поверхности копирующего элемента.
При работе на посевах лука устройство не выполняло агротехнических требований, предъявляемые к уборочным машинам (высота среза ботвы лука должна находиться в интервале от 20 до 50 мм) [23, 24], особенно на полях с неровным рельефом поверхности поля. При этом повреждения луковиц ДОС 19 тигали от 18 до 20%, а неравномерность среза ботвы - до 26%. При работе устройства вся срезанная масса листьев лука разбрасывалась на грядку, что впоследствии усложняло работу уборочных машин.
Наибольший интерес представляет двухбарабанный обрезчик листьев на корню (рисунок 1.2), разработанный в НИИ овощного хозяйства и Волгоградском специализированном производственном объединении «Волго-Дон» [27], состоящий из передней и задней навесок, причем задний барабан размещен за ботвоподъемником перед очистителем луковиц. Барабаны имеют шарнирно подвешенные диаметрально противоположные ряды ножей, размещенные через 60 по окружности. Ботвоподъемник состоит из горизонтального вала с радиальными гибкими тросовыми обрезиненными прутками.
Рисунок 1.2- Схема двухбарабанного обрезчика листьев на корню
Очиститель луковиц по конструкции аналогичен ботвоподъемнику и выполнен в виде горизонтального вала с гибкими прутками. Диаметры рабочих органов (мм): ножевого барабана по концам ножей - 570, ботвоподъем-ника - 400...480, очистителя луковиц - 400; частота вращения (об/мин) - соответственно 1200, 260...660, 1000. Ширина захвата обрезчика 1,8 м, производительность за 1 ч основного времени 1,2 га при рабочей скорости агрегата до 7,2 км/ч. Количество луковиц с обрезанными листьями составляет не менее 85 %, повреждения их - не более 1 %. Ко времени обрезки полеглость листьев должна быть не менее 30 %.
Обоснование действия аэродинамических сил на процесс удаления ботвы лука и сорных растений
Энергосберегающие технологии производства сельскохозяйственной продукции - это адаптивно-ландшафтные технологии, основанные на принципе ресурсосбережения для производства конкурентоспособной, определенного уровня урожайности продукции с оптимальными затратами производственных и природных ресурсов для поддержания заданного уровня экологических ограничений.
Снижение трудоемкости и повышение энергетической эффективности производства лука можно осуществить в двух направлениях: первое - совершенствование существующей технологии и системы машин, формирование технологических комплексов и внедрение их в производство; второе - разработка унифицированной по зонам технологии и системы машин, основанной на использовании энергонасыщенных скоростных тракторов, комбинированных машин и агрегатов с совмещенным выполнением операций подготовки почвы, посева семян, внесение гербицидов и удобрений, а также высокопроизводительных уборочных машин и сортировальных линий и большегрузных транспортных средств, взаимоувязанных с системой хранения и реализации овощей.
Для снижения энергетической эффективности производства лука предлагаются технологии уборки, в которые входят: для уборки лука-севка — предуборочная подготовка посевов путем скашивания ботвы лука и сорных растений (на высоте не менее 180 мм), выкапывание, сепарация и укладывание в валок с последующим механизированным подбором после вылеживания в течении 10... 14 дней для просушки и дозревания; для уборки лука-репки — предуборочная подготовка посевов путем скашивания ботвы лука и сорных растений (на высоте 20...50 мм), выкапы 81 вание, частичная сепарация и укладывание в валок с последующим механизированным подбором. Предлагаемая технология уборки лука, при производстве лука-репки, исключает такой технологический процесс как послеуборочная обработка лука за счет удаления ботвы на корню с последующим транспортированием его на хранение или на продажу. А при производстве лука-севка - удаление ботвы и сорных растений позволяет снизить количество потерь лука при просушивании его в валках на поле.
При разработке сложной системы, каковым является уборочный агрегат, возникает необходимость в принятии многоступенчатых решений от стратегических (выбор принципиального технического направления) до частных. Технические решения при этом характеризуются многовариантностью и многокритериальностью отбора наилучшего варианта из множества альтернатив [110, 111].
Технология уборки лука, состоящая из нескольких технологических процессов (удаление ботвы и сорных растений, выкопка и подбор), имеет комплекс функций, которые по области проявления делятся на внешние (общеобъектные) и внутренние (рисунок 2.1).
Внешние функции выполняются агрегатом в целом и отражают функциональные отношения между агрегатом и сферой его применения. В свою очередь внешние функции делятся на главные и второстепенные. Ограничимся рассмотрением главной функции, определяющей назначение уборочных агрегатов в целом. В нашем случае это уборка лука, включающая в себя удаление ботвы и сорных растений, выкопка и подбор (рисунок 2.1).
Внутренние функции определяют взаимосвязь внутри объекта и выполняются его элементами. По роли их в рабочем процессе они делятся на основные и вспомогательные. Основные функции обеспечивают работоспособность объекта, а вспомогательные функции (Fu, F12, F13, ..., F34) характеризуют средства достижения основных функций и способствуют их реализации.
В соответствии с нормами стандартов и руководящих документов [112, 113, 114, 115] используемые технические решения при уборке лука должны обеспечивать ряд требований: полнота удаления ботвы лука и сорных растений; высота скашивания; полнота выкапывания; повреждение убираемого продукта; потери; содержание почвенных и растительных примесей; полнота подбора. Поэтому для оценки эффективности функционирования технических средств для уборки лука выбраны критерии, объективно отражающие количественные и качественные показатели уборки - качество убираемого продукта и энергоемкость уборки.
Для достижения высокого качества работы технических средств для уборки лука они должны обеспечивать уборку с соблюдением агротехнических требований. При работе технических средств на величину выходных параметров каждого агрегата оказывают существенное влияние: функции внешнего воздействия, функции состояния аппарата, функции управляющего воздействия.
Технологический процесс уборки лука является сложной многопараметрической системой, схема функционирования которой имеет иерархическую структуру, включающую в себя модели отдельных процессов, явлений и их взаимосвязь.
Функционирование уборочных машин протекает в условиях непрерывно изменяющихся внешних воздействий. Их можно представить как многомерную динамическую систему со многими входными и выходными переменными.
Выходные параметры определяются условиями работы уборочных машин, которые в свою очередь зависят от технологии уборки лука, типа и состояния почвы, агрофизических свойств лука и других факторов. При этом наряду с вполне определенными внешними факторами, влияние которых на выходные параметры оцениваются детерминистическими методами, существенное влияние на конечные показатели машин оказывают случайные факторы. Для анализа и синтеза таких систем применимы комбинированные (механико-статистические) методы, основанные на совместном использовании аналитических (механико-математических) и вероятностно-статистических методов.
В основе вероятностно-статистических методов исследования лежит построение математических моделей, имитирующих функционирование реальных объектов.
Учитывая функциональные схемы машин и особенности протекания процессов уборки лука, набор функций имеет определенные особенности.
Количество составляющих входного и выходного векторов зависит от типа машины, выбранной расчетной схемы, степени учета параметров, характеризующих условия работы машины и других факторов, обусловленных целью и характером поставленной задачи. Они определяют объем и содержание информации, на основе которых разрабатываются и реализуются математические модели.
Задачей ботвоудаляющих рабочих органов является обрезка ботвы в соответствии с предъявляемыми к уборочной машине агротехническими требованиями. Последние составляются на основе стандартов на продукцию. Согласно ГОСТам 1723-86, 27166-86, 51786-2001 и исходным требованиям на машину обрезка ботвы лука перед уборкой должна производиться таким образом, чтобы у максимального количества луковиц (100 % по стандарту, не менее 80 % — по исходным требованиям на машину) оставшаяся длина ботвы находилась в пределах от 20 до 50 мм. При этом луковицы не должны быть срезаны или повреждены. Следовательно, основными оценочными критериями (результирующие показатели) обрезчика, ботвы лука и сорных растений Г0 являются: Yoi - полнота» скашивания ботвы лука и сорных растений; Yoi — процент лука; поврежденный ботвосрезающим механизмом; Газ-длина ботвы лука (рисунок 2.2).
Теоретическое исследование технологического процесса сепарации вороха лука-севка при машинной уборке
После извлечения лука-севка выкапывающе-сепарирующим рабочим органом из почвы, лук подается на приемный транспортер, где происходит вторичное отделение почвенных примесей из вороха.
Для определения координат взаимного расположения центров ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа и переднего вала приемного транспортера рассмотрим траекторию полета слоя лука с выкапывающе-сепарирующего устройства на рабочую поверхность приемного транспортера с началом свободного полета луковицы в точке А (рисунок 3.16) и началом оси координат хАу в точке отрыва частицы слоя, которая сводится к задаче свободного движения частицы слоя лука с начальной скоростью движения равной скорости теребления.
При этом на частицу слоя действуют сила собственного веса и сила сопротивления, которые при движении частицы вверх будут направлены вниз, а при движении вниз - вверх.
Уравнения движения слоя в проекциях по оси координат запишется в параметрическом виде как:
Из первого уравнения системы (3.122) скорость частицы слоя в проекциях на ось Хзапишется следующим образом: vx=-g-sina + C1. (3.123) Проинтегрировав выражение (3.123), получим уравнение для определения перемещения слоя в направлении оси X:
Движение частицы слоя в направлении оси Y для случая ее движения вверх получим, переписав второе уравнение системы (3.122) следующим образом:
Определим произвольную постоянную С з решив уравнение (3.129) при начальных условиях, то есть при t=0:
Время полета / частицы определяем совместным решением уравнений системы (3.137) с уравнением, описывающим рабочую поверхность полотна приемного транспортера: y = y0-xga, (3.140) где уо — ордината точки пересечения проекции продолжения рабочей ветви полотна приемного транспортера с осью у, м. где Л — зазор между рабочей поверхностью приемного транспортера и нижней крайней точкой ротора, находящейся на пересечении прямой, параллельной оси приемного транспортера и наружной окружностью ротора, м. Решая совместно уравнения (3.137) и (3.140), получим уравнение времени полета частицы:
Координаты точки соударения частицы с рабочей поверхностью приемного транспортера и скорость соударения о поверхность определяются из уравнения (3.137) путем подстановки в них значения t из уравнения (3.142).
При нахождении координат точки соударения частицы с рабочей поверхностью приемного транспортера определяем координату соприкосновения частицы с рабочей поверхностью приемного транспортера, которая будет соответствовать отрезку FS (рисунок 3.17).
Точка F находится на пересечении траектории движения частицы с осью X, откуда отрезок AF определяется из уравнения траектории движения частицы (3.139), где x=AF при у=0.
Координата межосевого расстояния ротора и переднего вала приемного транспортера по оси Yопределяется из выражения: Y = {Y2+Y3+Y4)-Yn (3.143) где Yj = Rp sin(a)tj - a); Y2 = FS; Y3 = EM sin a; Y4 =rmp cos a. Координату межосевого расстояния ротора и переднего вала приемного транспортера по оси Xнайдем из выражения:
Как отмечалось ранее, особенность состава луко-почвенной массы, поступающей с выкапывающих устройств на сепарирующие рабочие органы уборочной машины, заключается в том, что размеры почвенных примесей соизмеримы с размерами луковиц, что в дальнейшем усложняет процесс разделения вороха на известных механических сепарирующих устройствах.
В предлагаемой функциональной схеме сепарирующего устройства (рисунок 2.8) есть ряд существенных отличий от принятых за аналоги элементов известных конструкций, обусловленных тем, что процесс сепарации луко-почвенной массы включает следующие фазы: - сход вороха с подающего транспортера на поверхность горки; - взаимодействие пальцев горки с луковицами; - счесывание щеткой с поверхности пальцев вороха и его взаимодействие с поверхностью ворса щетки.
Взаимное расположение трех основных частей устройства - подающего транспортера, пальчатой горки и щетки, а так же их геометрические и кинематические параметры должны в наибольшей степени обеспечивать отделение почвенных примесей из вороха лука-севка.
Определение расположения переднего барабана горки относительно заднего барабана подающего транспортера
Для определения координат взаимного расположения центров барабанов рассмотрим траекторию полета слоя лука с подающего транспортера на рабочую поверхность горки с началом свободного полета луковицы в точке А (рисунок 3.18, 3.19) и началом оси координат хАу в точке А, которая сводится к задаче свободного движения материальной точки с начальной скоростью транспортера итр под углом к горизонту j3 и под действием силы тяжести при условии, что нижний слой вороха лука, сходящий с подающего транспортера, не должен падать на рабочую поверхность горки ниже точки Е.
Следует ли учитывать сопротивление воздуха? С одной стороны есть основание полагать, что сопротивление воздуха будет весьма мало, поскольку луковицы полетят ни по одиночке, а в виде валка. При этом каждая луковица, за счет связанности вороха, будет двигаться вслед за впереди идущей. Не исключено, что поток вороха лука-севка является рыхлым, не сплошным. Поэтому сначала решим задачу в предположении, что движение луковиц определяется сопротивлением воздуха R и массой т.
Лабораторные исследования рабочего органа обрезчика ботвы лука и сорных растений
Значения количества сорных растений перед уборкой на посевах лука-репки сорта «Бессоновский местный» находились в пределах от 8 до 51 шт., при среднем значении Х—2А шт. (среднеквадратическое отклонение =8,3 шт., коэффициент вариации v=34,6 %); на посевах лука-севка сорта «Бессоновский местный» - в пределах от 4 до 64 шт., при среднем значении Х=22шт. (среднеквадратическое отклонение =8,5 шт., коэффициент вариации v=38,6 %).
Число сорных растений на посевах лука-репки сорта «Халцедон» находилось в пределах от 6 до 58 шт., при среднем значении Х=26 шт. (средне-квадратическое отклонение =9,5 шт., коэффициент вариации v=36,5 %).
Значения высоты головки луковиц, находящихся над поверхностью почвы, сорта «Бессоновскии местный» находились в пределах от 1 до 8 мм при среднем значении 3,2 мм (таблица 5.2).
Значения высоты головки луковиц, находящихся над поверхностью почвы, сорта «Халцедон» находились в пределах от 2 до 14 мм при среднем значении 11,4 мм.
Размещение луковиц относительно поверхности почвы Показатели Значения максимальное среднее минимальное Высота головки луковицы, находящейся над поверхностью почвы, мм:лука-репки сорта «Бессоновскии местный» лука-репки сорта «Халцедон» 8,0 14,0 3,2 11,4 1,0 2,0 Глубина залегания луковиц, мм: лука-севка сорта «Бессоновскии местный»лука-репки сорта «Бессоновскии местный» лука-репки сорта «Халцедон» 2078 69 144642 525 28
Глубина залегания луковиц (расстояние от поверхности почвы до основания донца луковицы) составляла: для лука-севка от 5 до 20 мм, при средней величине 14 мм, лука-репки - от 25 до 78 мм при среднем значении 44 мм (таблица 5.2). Поэтому глубина хода подкапывающих рабочих органов уборочной машины должна быть для лука-севка не менее 20 мм, а для репки - не менее 78 мм.
На посевах лука в период уборки встречаются растения с различным состоянием ботвы. Число растений с полеглой и наклонной ботвой более 60 от вертикали составило в среднем: Бессоновскии местный - 84 %; Халцедон - 30...40 %. Средняя величина полеглости растений лука-севка сорта «Бессоновский местный» к началу уборки составляла 15 %, а концу уборочной компании доходила до 38 %.
Высота ботвы лука-репки сорта «Бессоновский местный» в естественном состоянии находилась в пределах от 31 до 200 мм при среднем значении Х=81,0 мм (среднеквадратическое отклонение =29,6 мм, коэффициент вариации v=36,5 %) (таблица 5.3).
Высота ботвы лука-севка сорта «Бессоновский местный» в естественном состоянии находилась в пределах от 70 до 260 мм при среднем значении X=186,8 мм (среднеквадратическое отклонение =36,6 мм, коэффициент вариации v= 19,6 %).
Высота ботвы лука-репки сорта «Халцедон» в естественном состоянии находилась в пределах от 30 до 270 мм при среднем значении Х=86,5 мм (среднеквадратическое отклонение =37,2 мм, коэффициент вариации v-42,94 %).
Высота сорных растений в естественном состоянии находилась в пределах от 30 до 498 мм при среднем значении Х=164 мм (среднеквадратическое отклонение =50,4 мм, коэффициент вариации v =30,73 %).
Высота растений в естественном состоянии, мм: лук-репка сорта «Бессонов- ский местный» 200 81 31 лук-севок сорта «Бессонов- ский местный» 260 187 70 лук-репка сорта «Халцедон» 270 85 30 сорные растения 498 164 30 Длина пучка ботвы в выпрямленном состоянии для лука-севка сорта «Бессоновский местный» в среднем составила 300...360 мм, для лука-репки сорта «Бессоновский местный» и «Халцедон» - 480.. .540 мм (таблица 5.4).
Полеглая и низкая ботва, изменчивая по своему состоянию, а также наличие растений без всяких листьев — основные препятствия для механизации уборки лука тереблением. Величина размера диаметра луковиц севка находилась в пределах 2,7...45,3 мм при среднем значении 21,6 мм. Распределение луковиц по фракциям составило: 10,1...15 мм - 15,9 %; 15,1...22 мм - 33,4 %; 22,1...30 мм -39,6 %; подсев с диаметром меньше 10 мм - 2,7 % и выборок с диаметром больше 30 мм - 8,4 %.
У недозревших луковиц к моменту уборки сохраняется более или менее значительное количество ботвы: у лука-репки сорта «Бессоновский местный» — 16%, у лука-севка сорта «Бессоновский местный» - 47%, а лука-репки сорта «Халцедон» - 41%.
По полученным значениям сила теребления Рт без предварительного подкапывания для лука-севка изменялась в пределах 4,5... 19 Н (рисунок 5.2). В отдельных случаях, максимальное значение достигало 32 Н.
При предварительном подкапывании лука-севка скобой на глубину до 50 мм средние значения силы теребления Рт составило 1,4...3,7 Н (рисунок 5.3), а в отдельных случаях они достигали 6,1 Н.
На основании полученных данных установлено, что сила теребления предварительно подкопанного лука-севка составляют 22...29 % от сил, полученных без подкапывания.
Для исследования сопротивления разрыву пучка ботвы на опытном участке были выделены две группы растений однородных по состоянию ботвы в период уборки: растения, у которых все листья в пучке зеленые, с содержанием влаги 80...90 %; все листья в пучке увядшие, желтеющие, полусухие, с содержанием влаги 65.. .76 %.
У первой группы разрушающая нагрузка оказалась наибольшей (69 Н), у второй — средней (38 Н). Прочность пучка первой группы растений была наибольшей не только по разрушающей нагрузке Рр, но и по нагрузке, отнесенной к одному листу. Для первой и второй групп сила разрыва одного листа составляла соответственно 11,2 Н; 6,9 Н.
Прочность пучка изменялась в зависимости от места разрыва по высоте пучка. В верхней трети пучка она всегда наименьшая. В наших экспериментах получены следующие средние соотношения Рр по зонам пучка: в нижней трети (у основания пучка) - 28,4 Н, в середине пучка - 17,3 Н, в верхней трети пучка- 14,9 Н.
