Содержание к диссертации
АННОТАЦИЯ 2
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ 8 •
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ 9
ВВЕДЕНИЕ '. 29
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ УБОРКИ КАРТОФЕЛЯ... 38
1.1. Анализ современных технологий * возделывания и уборки картофеля 38
1.2. Анализ конструкций картофелеуборочных машин 47
1.2.1. Анализ конструкций картофелекопателей и перспектива их совершенствования 47
1.2.2. Анализ конструкций копателей-погрузчиков и перспектива их совершенствования 52
1.2.3. Анализ конструкций комбайнов и перспектива их совершенствования 59
1.3. Систематизация основных проблем механизированной уборки картофеля... 73
1.4. Анализ и выбор перспективных конструктивнсгтехнологических схем рабочих органов картофелеуборочных машин 75
1.4.1. Обзор исследований и анализ конструктивно-технологических схем подкапывающих рабочих органов 78
1.4.2. Обзор исследований и анализ конструктивно-технологических схем комкоразрушающих рабочих органов 86
1.4.3. Обзор исследований и анализ конструктивно-технологических схем ботвоудаляющих рабочих органов 103"
1.4.4. Обзор исследований и анализ конструктивно-технологических схем рабочих органы вторичной сепарации (горок) .' 113
1.6. Цель и задачи исследований 125
Выводы к главе 1 '. 126
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ УБОРОЧНЫХ МАШИН 128
2.1 Моделирование технологических процессов картофелеуборочных машин 128
2.2. Теоретические исследования усовершенствованного технологического процесса подкапывания клубненосного пласта 132
2.2.1. Устройство и работа усовершенствовангіого пассивного подкапывающего рабочего органа 132
2.2.2. Обоснование рациональных параметров усовершенствованного пассивного подкапывающего рабочего органа 135
2.3. Теоретические исследования усовершенствованного технологического процесса разрушения почвенных комков 146
2.3.1. Устройство и работа усовершенствованного комкоразрушающего рабочего органа с активной поверхностью 146
2.3.2. Определение загрузки усовершенствованного комкодавителя с активной поверхностью Л 149
2.3.3. Обоснование рациональных параметров усовершенствованного комкоразрушающего рабочего органа 154
2.4. Теоретические исследования усовершенствованного технологического процесса удаления ботвы и растительных примесей 177
2.4.1. Устройство и работа усовершенствованного ботвоудалителя пальчато- гребенчатого типа 177
2.4.2. Обоснование рациональных параметров усовершенствованного ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа . 180.
2.4.3. Обоснование величины рабочего зазора между транспортером и отрывным валиком '. 192
2.5. Теоретические исследования усовершенствованного технологического процесса вторичной сепарации клубненосного вороха 194
2.5.1. Устройство и работа усовершенствованного органа вторичной сепарации 194
2.5.2. Обоснование рациональных параметров усовершенствованного органа вторичной сепарации 197
2.5.3. Обоснование рабочего зазора между наклонными дисками отбойного валика и полотном горки 218
Выводы к главе 2 222
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ УБОРОЧНЫХ МАШИН... 225
3.1. Программа экспериментальных исследований усовершенствованных и серийных рабочих органов уборочных машин 225"
3.2. Лабораторные исследования подкапывающих рабочих органов 225
3.2 Л. Программа лабораторных исследования подкапывающих рабочих органов... 225-
3.2.2. Объекты и предмет исследований подкапывающих рабочих органов и применяемое оборудование » '. 226
3.2.3. Методика лабораторных исследований подкапывающих рабочих органов и обработки опытных данных : 230
3.2.4. Результаты исследований подкапывающих рабочих органов 232
3.3. Лабораторные исследования комкоразрушающих рабочих органов 233
3.3.1. Программа лабораторных исследований комкоразрушающих рабочих органов 233
3.3.2. Объект и предмет исследований комкоразрушающих рабочих органов и применяемое оборудование 234
3.3.3. Методика лабораторных исследований комкоразрушающих рабочих органов и обработки опытных данных •. 238
3.3.4. Результаты исследований комкоразрушающих рабочих органов с активной поверхностью 242
3.4. Лабораторные исследования ботвоудаляющих рабочих органов 245
3.4.1. Программа исследований ботвоудаляющих.рабочих органов 245"
3.4.2. Объект и предмет исследований ботвоудаляющих рабочих органов и применяемое оборудование , 245
3.4.3. Методика лабораторных исследований ботвоудаляющих рабочих органов и обработки опытных данных 250
3.4.4. Результаты исследований ботвоудаляющих устройств пальчато-гребенчатого типа 254
3.5. Лабораторные исследования органов вторичной сепарации 258
3.5.1. Программа лабораторных исследований органов вторичной сепарации 258
3.5.2. Объект и предмет исследований органов вторичной сепарации и применяемое оборудование 258
3.5.3. Методика лабораторных исследований органов вторичной сепарации и обработки опытных данных 263
3.5.4. Результаты исследований органов вторичной сепарации 266
Выводы к главе 3 269
ГЛАВА 4. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ КЛУБНЕЙ МЕТОДОМ НАНЕСЕНИЯ НА НИХХРУПКИХ ПОКРЫТИЙ 271
4.1. Анализ современных способов определения повреждений клубней картофеля.. 271
4.2. Объект и предмет исследований повреждений клубней картофеля 277
4.3. Программа, методика и результаты исследований способа определения повреждений клубней методом нанесения на них хрупких покрытий 281
Выводы к главе 4 289
ГЛАВА 5. ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНЫХ МАШИН 291"
5.1. Программа полевых исследований уборочных машин и характеристик культуры картофеля .* 292
5.2. Исследования размерно-массовых и физико-механических характеристик культуры картофеля г. 292
5.2.1. Объекты исследований размерно-массовых и физико-механических характеристик культуры картофеля и применяемое оборудование 292
5.2.2. Методика исследований размерно-массовых и физико-механических характеристик культуры картофеля 294
5.2.3. Результаты исследований размерно-массовых и физико-механических характеристик культуры картофеля 296
5.3. Полевые исследования усовершенствованного ККЭ-2СТ и серийного ККЭ-2 картофелекопателей ' 297
5.3.1. Методика полевых исследований усовершенствованного ККЭ-2СТ и \ серийного ККЭ-2 картофелекопателей 297
5.3.2. Результаты полевых исследований усовершенствованного ККЭ-2СТ и серийного ККЭ-2 картофелекопателей 303
5.4. Полевые исследования усовершенствованного КСТ-1,4СТ и серийных КСТ-1,4 и КТН-2В картофелекопателей 307
5.4.1. Методика полевых исследований усовершенствованного КСТ-1,4СТ и серийных КСТ—1,4 и КТН—2В картофелекопателей 308
5.4.2. Результаты полевых исследований картофелекопателей КСТ-1,4СТ, КСТ- 1,4иКТН-2В 312
5.5. Полевые исследования усовершенствованного Е-684СТ и серийного Е-684 копателей-погрузчиков , 316
5.5.1. Методика полевых исследований усовершенствованного Е-684СТ и серийного Е-684 копателей-погрузчиков : 320
5.5.2. Результаты полевых исследований усовершенствованного Е-684СТ и серийного Е-684 копателей-погрузчиков 323
5.6. Полевые исследования усовершенствованного КПК—2СТ и серийного КПК-2-01 комбайнов 328
5.6.1. Методика полевых исследований усовершенствованного КПК—2СТ и серийного КПК—2-01 комбайнов 332
5.6.2. Результаты полевых исследований усовершенствованного КПК—2СТ и серийного КПК-2-01 комбайнов 334
5.7. Перспективы и рекомендации по дальнейшему совершенствованию машинных технологий и средств уборки картофеля 338
5.7.1. Перспективы совершенствования технологических процессов картофелекопателей 341"
5.7.2. Перспективы совершенствования технологических процессов копателей-погрузчиков '. 342
5.7.3. Перспективы совершенствования технологических процессов картофелеуборочных комбайнов '. 346
Выводы к главе 5 ' 349-
ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ КОПАТЕЛЕЙ, КОПАТЕЛЕЙ-ПОГРУЗЧИКОВ И КОМБАЙНОВ И МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УБОРКИ КАРТОФЕЛЯ 351
6.1. Методика технико-экономической оценки усовершенствованных копателей, копателей-погрузчиков и комбайнов и машинных технологий уборки картофел... 351
6.1.1. Методика технико-экономической оценки при использовании усовершенствованных уборочных машин ' 352
6.1.2. Методика определения приведенных затрат при использовании машинных технологий с использованием копателя КСТ—1,4СТ,.копателя-погрузчика Е-684СТ и комбайна КПК-2СТ 358
6.2. Результаты технико-экономической оценки усовершенствованных уборочных машин и машинных технологий уборки картофеля 362
6.2.1. Результаты технико-экономической оценки использования усовершенствованных копателей, копателя — погрузчика и комбайна 362
6.2.2. Результаты технико-экономической оценки машинных технологий уборки картофеля и рекомендации по их применению 368"
Выводы к главе 6 371
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ...: '. 373
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 379
ПРИЛОЖЕНИЯ .'. 414
ANNOTATION : 484-
Введение к работе
В мировом производстве растительных продуктов, по валовому сбору, картофель занимает одно из ведущих мест, а на долю РФ приходится около 11%... 14% общего объема, что является вторым показателем после Китая [286]. При этом по потреблению в расчете на одного человека (около 120...130 кг в год), наша страна всегда находилась и находится на первом месте [8,9,161,169,289,340]. В 2007 году в отечественных хозяйствах эту культуру выращивали на площади 2,974 млн. га., валовой сбор составил 38,497 млн.т, при средней урожайности 13,0 т/га [340]. Для населения России и многих зарубежных стран картофель, наряду с хлебом, остается особо ценным и не заменимым продуктом питания. О перспективности культуры в мировом масштабе свидетельствует и тот факт, что «Food and Agriculture organization of the United Nations» назвала 2008г. — Международным годом картофеля.
Используется картофель и как корм для сельскохозяйственных животных, и как ценное сырьё для перерабатывающей промышленности, являясь основой для производства таких продуктов, как крахмал, спирт, картофель «фри», чипсы, сухое картофельное пюре и многих других [194]. В североамериканских странах и странах ЕС также наблюдается рост коммерческого интереса к этой культуре. Например, в США с 1960 по 1990 годы количество переработанного картофеля увеличилось в 3 раза, в Нидерландах производство быстрозамороженных картофельных субпродуктов возросло более чем в 200 раз [167,328]. За последние 40 лет в мире картофель стал одной из перспективнейших и востребованных на рынке сельскохозяйственных культур [286], поэтому в РФ и за рубежом наблюдается рост инвестиций в развитие картофелеводческих хозяйств, что требует увеличения выпуска и повышения эффективности современных комплексов техники для картофелеводства.
Увеличение валового сбора картофеля и повышение эффективности производства (снижение себестоимости, повреждений и потерь клубней) крайнє важно для России, где в целом имеются благоприятные условия для его произрастания и большие перспективы развития сельского хозяйства. Снижения себестоимости, количества повреждений и потерь клубней можно добиться не только использованием новых. сортов, но и применением различных современных технологий и средств механизированной уборки, обладающих высокой производительностью,
В отличие от мировой практики с компактным размещением площадей, картофель в России выращивают в различных почвенно-климатических зонах на равнинах и в горных условиях от Калининграда до Камчатки. Эта специфика требует разнообразия технологий выращивания и уборки клубней картофеля, учитывающих, в том числе и климатические и почвенные особенности. Сочетание обозначенных факторов определяет конструкцию уборочных машин различного назначения и производительности.
В РФ, как и за рубежом, основными средствами механизированной уборки являются: 1) копатели, 2) копатели-погрузчики и 3) комбайны. Их совершенствование является важнейшим элементом в комплексном подходе по повышению рентабельности производства данной культуры.
Механизированная уборка осложнена особенностями произрастания картофеля. Единственно возможным способом его извлечения из почвы является выкапывание клубней вместе с почвенным пластом, вес которого в 100 и более раз превышает вес содержащегося в нем картофеля, поэтому наиболее трудоемким этапом возделывания является уборка - 35%...70% всех трудозатрат и 40%.. .60% энергозатрат [170,237]. Перспектива роста урожайности картофеля до бОт/га [312] потребует высокой производительности всех рабочих органов картофелеуборочных машин, в ,том числе подкапывающих, комкоразрушающих, ботвоудаляющих и сепарирующих, что приведет к необходимости их усовершенствования, а так же к увеличению парка комбайнов. В РФ в начале 90-ых годов прошлого века на уборке картофеля работало до 10 тыс. машин, и это был огромный рынок сельскохозяйственной техники [289,295], перспектива восстановления которого актуальна и сегодня.
Современные картофелеуборочные машины, в особенности отечественного производства не обеспечивают выполнение АТТ: чистоту клубней в таре 97%... 100 %, их повреждения до 5% и потери до 4%...6% [9]. Зарубежная техника для уборки корнеклубнеплодов хотя и значительно ближе к выполнению этих требований, но имея высокую стоимость практически- не доступна российским сельхозпроизводителям [145]. Основной выход в подобной ситуации - это разработка и внедрение высокопроизводительных и надежных рабочих органов, обеспечивающих минимальный уровень повреждений и потерь урожая, которые унифицированы с уборочными машинами, выпускаемыми отечественной промышленностью и эксплуатируемыми в хозяйствах РФ и странах ближнего зарубежья. Такой подход к решению проблемы продовольственной безопасности страны согласуется с позицией президента РФ, который по результатам президиума Госсовета РФ от 30.09.2004 дал поручение правительству (Пр-1686 ГС), предусматривающее: "...стимулирование широкомасштабного внедрения современных технологий и выпуск современной конкурентоспособной отечественной техники и оборудования для технического перевооружения сельскохозяйственного производства" и согласуется с действиями правительства РФ (постановление № 446 от 14.07.2007 - О государственной программе развития сельского хозяйства на 2008-2012г.), предусматривающими "Ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологии....". При этом, научное обеспечение и создание новой техники является одним из пяти положений по развитию сельскохозяйственного машиностроения в РФ до 2010г [148].
Цель исследований. Повышение эффективности машинных технологий уборки картофеля за счет улучшения агротехнических показателей копателей, копателей-погрузчиков и комбайнов, а так же повышение производитель-ности их технологических процессов путем совершенствования подкапывающих, комкоразрушающих, ботвоудаляющих и сепарирующих рабочих органов.
Объекты исследований. Машинные технологии уборки картофеля, уборочные машины, их подкапывающие, комкоразрушающие, ботвоудаляющие и сепарирующие рабочие органы, размерно-массовые характеристики и физико-механические свойства компонентов картофельного вороха, а так же способ оперативного определения повреждений клубней.
Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов: подкапывания клубненосного пласта, разрушения почвенных комков, ботвоудаления и сепарации в уборочных машинах. Экспериментальные закономерности, характеризующие площади повреждений клубней при нанесении на них хрупких покрытий.
Проведенная нами работа включала (рис. 1...2): исследования и оценку различных технологий уборки картофеля (копателем, копателем-погрузчиком и комбайном); разработку и исследование нового способа оперативного определения количества повреждений клубней методом нанесения хрупких покрытий (приложение А1) [76,215], усовершенствование рабочих органов (приложения А2...А5) и др.- [213,214, 216...230,266...269], их теоретические и лабораторные исследования, хозяйственные испытания усовершенствованных и серийных картофелеуборочных машин, исследования размерно-массовых характеристик и физико-механических свойств компонентов картофельного вороха. Разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию картофелеуборочной техники.
Определена технико-экономическая эффективность при использовании усовершенствованных машин и технологий уборки картофеля и разработаны рекомендации по их применению.
После анализа существующих нерешенных проблем связанных с уборкой картофеля, нами были намечены и реализованы три основных направления исследований по совершенствованию машиных технологий и технических средств для уборки корнеклубнеплодов.
Первое направление исследований — усовершенствование копателей. При высоких скоростях уборки возможно периодическое сгруживание клубненосного пласта на подкапывающих рабочих органах копателей.
Сгруживание пласта ухудшает сепарацию на транспортерах, затрудняет ручной подбор клубней (увеличивает потери) и снижает производительность. Отметим, что для сохранения конкурентоспособности копателей предпочтительна не высокая стоимость машины, по сравнению с комбайнами.
Второе направление исследований — усовершенствование копателя-погрузчика. Отсутствие переборочного стола и несовершенство рабочих органов, даже при оптимальных условиях уборки, приводит к наличию в таре большого количества примесей и поврежденных клубней. Необходима высокая производительность и доступная цена уборочной машины, по сравнению с комбайнами. Данная технология предусматривает обязательную дополнительную операцию доочистки клубней на сортировальных пунктах.
Третье направление исследований - усовершенствование комбайна. Собранный урожай имеет значительный процент поврежденных клубней, а несовершенство рабочих органов ограничивает дальнейшее увеличение производительности уборочной машины. При высокой стоимости комбайнов, требуется строгое соблюдение АТТ по содержанию примесей в бункере.
Рекомендации по выбору эксплуатационных и конструктивных параметров разработанных нами подкапывающего, комкоразрушающего, ботвоудаляющего и сепарирующего устройства в научной литературе отсутствовали, поэтому возникла необходимость выявления их потенциальных возможностей путем механико-математического моделирования технологических процессов, а так же лабораторных и полевых исследований и хозяйственных испытаний серийных и усовершенствованных машин: 1) копателей ККЭ-2М и КСТ-1,4А; 2) копателя - погрузчика Е-684; 3) комбайна КПК-2-01. Принятое название усовершенствованных машин, соответственно: 1) ККЭ-2СТ, КСТ-1,4СТ; 2) Е-684СТ; 3) КПК-2СТ.
Работа по совершенствованию машинных технологий и картофелеуборочной технике проводилась в основном в период 2000... 2007гг. на кафедрах «Теоретическая и прикладная механика», «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Сельскохозяйственные машины» ФГОУ ВПО Рязанского ГАТУ имени П.А.Костычева, ГУ «Рязанский научно-исследовательский и проектно-технологический институт АПК», ГУП «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий» (Республика Мордовия), на полях хозяйств Рязанской и Тульской областей и в др. организациях.
Основные положения, выносимые на защиту: 1) усовершенствованные технологии механизированной уборки картофеля и конструктивно- технологические схемы подкапывающего, комкоразрушающего, ботвоудаляющего, сепарирующего рабочих органов для копателей, копателей- погрузчиков и комбайнов; 2) механико—математическая модель технологического процесса подкапывания клубненосного пласта усовершенствованным рабочим органом, состоящим из лемеха и круглых отрезных дисков с почвозацепами; 3) механико—математическая модель технологического процесса разрушения почвенных комков усовершенствованным комкодавителем, состоящим по крайне мере из одного баллона с активной поверхностью; 4) механико-математическая модель технологического процесса удаления . растительных примесей усовершенствованным пальчато-гребенчатым ботвоудалителем, состоящим из двух рядов ботвоподводящих пальцев и отрывного валика с выступами; 5) механико-математическая модель технологического процесса удаления почвенных и растительных примесей усовершенствованным органом вторичной сепарации, состоящим из продольной горки и отбойного валика с колеблющимися дисками; 6) способ оперативного определения количества повреждений клубней методом нанесения хрупких покрытий; 7) методика и результаты исследования изменения размерно—массовых характеристик компонентов картофельного вороха на рабочих органах уборочных машин; 8) результаты хозяйственных испытаний усовершенствованных картофелеуборочных машин; 9) результаты оценки технико-экономической эффективности усовершенствованных машин и технологий уборки картофеля, а так же рекомендации по применению данных машинных технологий уборки копателями, копателями-погрузчиками или комбайнами.
Диссертационная работа выполнена по плану НИР ФГОУ ВПО Рязанского ГАТУ им. П.А.Костычева на 2000...2010гг. по теме № 19. от 17.01.2001 «Комплексное решение механизированной уборки картофеля» и в соответствии с программой исследований персонального гранта № 01 от 25.04.2001 главы администрации Рязанской области (приложение Б1). Основные положения диссертации соответствуют требованиям Федерального закона РФ «Об энергосбережении» от 03.04.96 № 28 - ФЗ и в целом согласуются с Федеральной целевой программой стабилизации и развития инженерно-технической сферы АПК. РФ на 2001.. .2007гг.
Усовершенствованные технологии уборки картофеля (приложение Б2) включены в Регистр технологий производртва продукции растениеводства для Рязанской области: О—ТБ-2.1, регистрационный номер №21, 2006г (Система машин для возделывания и уборки картофеля).
Результаты исследований внедрены на ГУ «Рязанский научно-исследовательский и проектно-технологический институт АПК» (приложения Б2), ОАО «Рязанский завод сельскохозяйственных машин» (приложения БЗ), ГНУ ВНИМС г.Рязань (приложения Б4), ООО «РКЗ-комплект» (приложения Б5), ГУП «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий» Республики Мордовии (приложения Б6) и в картофелеводческих хозяйствах Рязанской и Тульской областей (приложения Б7...Б10) на суммарной площади составившей за 2001...2007гг. более 1720га. Результаты исследований широко применяются в учебном процессе на инженерном факультете ФГОУ ВПО Рязанского ГАТУ, ФГОУ ВПО Курской ГСХА, ФГОУ ФГОУ ВПО Пензенской ГСХА, ВПО Мордовского ГУ и в других ВУЗах РФ (приложения Б11...Б15).
Машинные технологии уборки картофеля усовершенствованными агрегатами Департаментом научно-технологической политики и образования Минсельхоза России рекомендованы к внедрению в картофелеводческих хозяйствах Российской Федерации (приложения Б16).
