Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Эффективность механизированной уборки картофеля в Северо-западной зоне РФ 6
1.2. Способы и средства механизированной уборки картофеля 12
1.3. Пути повышения эффективности уборки картофеля и задачи исследований 17
Глава 2. Теоретическое обоснование совершенствования конструктивных и технологических параметров картофелекопателя
2.1. Математическое моделирование разрушения комков и сепарации почвы 39
2.2. Анализ транспортирования клубней по поверхности ротационного пруткового сепаратора 51
2.3. Теоретическое обоснование конструкции сепарирующего рабочего органа 57
2.4. Теоретическое обоснование кинематических параметров ротационного пруткового сепаратора 69
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 86
Глава 4. Организация поточной уборки картофеля и результаты экспериментальных исследований
4.1. Технология работ для поточной уборки картофеля картофелекопателями 97
4.2. Экспериментальные исследования картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором 98
4.3. Влияние конструктивных и технологических параметров картофелекопателя на сепарацию почвы и повреждаемость клубней картофеля 106
Глава 5. Технико-экономическая эффективность использования на уборке картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором 132
Основные выводы : 137
Список литературы 139
Приложение 151
- Эффективность механизированной уборки картофеля в Северо-западной зоне РФ
- Математическое моделирование разрушения комков и сепарации почвы
- Экспериментальные исследования картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором
- Влияние конструктивных и технологических параметров картофелекопателя на сепарацию почвы и повреждаемость клубней картофеля
Введение к работе
Актуальность темы. Картофель - одна из важнейших культур, возделываемых в нашей стране. По уровню производства и площади посадки картофеля Россия по прежнему занимает первое место в мире (около 15% мирового производства). Затраты труда на уборку составляют 45 - 60% общих затрат труда на возделывание картофеля. Известно, что серийные картофелекопатели и картофелеуборочные комбайны не в полной мере справляются с уборкой картофеля в условиях Северо-западной зоны России: на тяжёлых, засоренных камнями, переувлажнённых почвах, а также на склонах. Из-за недостаточно эффективной сепарации почвенной массы значительная часть клубней теряется, возникает необходимость работать на пониженных скоростях, вследствие чего уменьшается производительность, и увеличиваются производственные затраты.
Учитывая, что в большинстве случаев уборка картофеля в Северозападном регионе России сопровождается сложными почвенно-климатическими условиями необходимо создание уборочной техники, надёжно и эффективно работающей в этих условиях. Однако ещё не удалось внести в конструкцию картофелеуборочных машин изменения, обеспечивающие их производительную и качественную работу на тяжёлых почвах повышенной влажности. Решение этой задачи связано с технологическими особенностями машинной уборки и теми изменениями, которые вносят в неё физико-механические свойства почвы при её увлажнении. Поэтому вопрос создания более совершенных высокопроизводительных рабочих органов для сепарации почвенной массы при уборке картофеля, модернизация картофелеуборочных машин и их адаптация к различным условиям уборки имеет актуальное значение.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Великолукской государственной сельскохозяйственной академии 2001-2005 гг по теме №3: «Разработать технологические и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства в условиях Северо-запада НЗ РФ», а также в соответствии с целевой комплексной программой фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Северо-запада Российской Федерации на 2001-2005 гг.
Цель работы. Повышение эффективности механизированной уборки картофеля в условиях Северо-западного региона России путём совершенствования конструктивных и технологических параметров картофелекопателя КСТ-1,4 А.
Объект исследования. Картофелекопатель и его влияние на технологический процесс разрушения почвенных комков и их отделения с примесями от картофеля при уборке урожая с использованием ротационного пруткового сепаратора.
Научная новизна состоит из:
- теоретического обоснования конструкции сепарирующего рабочего органа для картофелекопателя;
- теоретического обоснования его кинематических параметров и режимов
работы;
- разработки нового ротационного пруткового сепаратора для сепарации
почвы на картофелекопателе и его экспериментального исследования при работе.
Достоверность теоретических заключений подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Проведённые исследования позволили определить пути улучшения сепарации почвы и снижения повреждаемости клубней картофеля при уборке его картофелекопателем за счёт применения ротационного пруткового сепаратора. На защиту выносятся следующие основные положения:
Аналитические исследования влияния кинематических и конструкционных параметров ротационного пруткового сепаратора на технологические показатели картофелекопателя;
Результаты обоснования параметров и режимов работы ротационного пруткового сепаратора, обеспечивающих повышение эффективности процесса уборки картофеля при улучшении сепарации почвы, уменьшении повреждаемости клубней и разрушении почвенных комков;
Результаты сравнительных испытаний картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором и его технико-экономическая оценка.
Новый ротационный прутковый сепаратор для разрушения комков почвы и отделения почвенных примесей на картофелекопателе КСТ-1,4 А Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:
в Великолукской государственной сельскохозяйственной академии, в 2004, 2005 гг.
в Костромской государственной сельскохозяйственной академии, в 2004 г.
Публикации. По основным положениям диссертации опубликованы восемь статей, пять из которых в центральных изданиях и получено положительное решение экспертизы заявки по существу на выдачу патента.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 169 листах основного текста, содержит 49 рисунков, 28 таблиц и приложений. Список использованной литературы включает 151 наименование, из них 12 на иностранном языке. Она состоит из введения, пяти глав и общих выводов.
Эффективность механизированной уборки картофеля в Северо-западной зоне РФ
В настоящее время в зависимости от почвенно-климатических условий и размера площади посадок картофеля применяют две основные технологии уборки - картофелекопателями с подбором клубней вручную в корзины или в вёдра для затаривания в мешки и картофелеуборочными комбайнами с выгрузкой клубней в кузова транспортных средств. Уборку копателями применяют в основном на средних и тяжёлых почвах повышенной влажности, где невозможна комбайновая уборка, а также на семенных и небольших участках с поперечным уклоном более 3 градусов. При уборке картофеля копателями механизированная только одна операция - выкапывание клубней. Для подбора их обычно выделяют бригаду из 30-35 человек. Они, как правило, сочетают подборку с ручной погрузкой мешков и корзин с картофелем в рядом стоящую тракторную тележку, автомашину или повозку. В результате чего увеличиваются затраты труда и времени на уборку этой культуры, плохо используются транспортные средства, полезная занятость которых составляет 10-12% рабочего времени. Остальное время приходится на простои под загрузкой и выгрузкой. При комбайновой уборке картофеля затраты труда на уборку 1 га картофеля в 2...3 раза ниже, чем при ручной подборке клубней за картофелекопателями. При этом значительно сокращаются сроки уборки картофеля. Уборку картофеля с использованием комбайнов ведут тремя способами: прямым комбайнироваиием, раздельным и комбинированным. Применение того или иного способа уборки зависит от конкретных условий. Основной урожай картофеля собирают разными машинами. Уборку картофеля копателями с ручной подборкой клубней выполняют уборочным агрегатом, состоящим из картофелекопателя и трактора. В настоящее время -13-используют картофелекопатели КТН-2М, КТН-2Б, КСТ-1,4А и КТН-2В, которые агрегатируются с тракторами МТЗ, ЮМЗ и Т-40А, и картофелекопатели швыряльного типа КТН-1 А, агрегатируемые с тракторами Т-25А, Т-ЗОА. Производительность копателя находится в прямой зависимости от скорости движения агрегата. Поэтому для работы картофелеуборочного агрегата выбору скорости движения следует уделить особое внимание, так как высокая производительность копателя не может обеспечить прямо пропорциональную большую производительность рабочих, которые подбирают за ним клубни. При высокой скорости движения агрегата значительное количество клубней при сходе с копателя засыпается почвой, что затрудняет их подбор рабочими, а также увеличиваются потери клубней. Скорость движения агрегата выбирают с учётом коїпсретньгх условий и особенностей рельефа убираемого участка. Технологический процесс уборки картофеля независимо от применяемых средств механизации включает следующие основные операции: подкапывание (выкапывание) клубней, отделение (сепарация) клубней от почвы, отрыв клубней от ботвы, удаление ботвы и растительных примесей, отделение камней и других примесей, погрузка клубней в тару или транспортные средства. Могут быть и дополнительные операции: предварительное удаление ботвы или сортирование клубней на фракции. Для осуществления этих процессов уборки применяют простейшие орудия — копачи, картофелекопатели швыряльного и просеивающего типа, картофелекопатели с прицепными переборочными столами, картофелекопатели-валкоукладчики, копатели-погрузчики и картофелеуборочные комбайны. Выбор средств механизации определяется конкретными условиями хозяйства: типом почвы и влажностью её в период уборки, размером и рельефом полей, наличием на них камней, общей площадью, занятой под картофель, урожаем картофеля и др. Рассмотрим основные типы картофелеуборочных машин и орудий. -14 Копачи подкапывают грядки картофеля, нарушают связь кустов с почвой и частично выпахивают клубни картофеля на поверхность поля. Копачи агрегатируются с садово-огородными тракторами и мотоблоками. Подкапывающим рабочим органом обычно служит двухотвальный корпус (типа корпуса окучника). При работе корпус проходит посредине рядка, раскрывая его на две стороны. Затраты труда на подбор клубней после подкопа их копачами составляют 190-250 Чсл.-ч./га. Потери в почве до 30%. Копатели швырял ьного типа - швырялки выкапывают кусты и разбрасывают клубни и почву из грядки в сторону, перпендикулярно ходу машины на расстояние до 3,5 м. Картофелекопатели швырял ьного типа выпускают, как правило, однорядные, навесные. Технологический процесс осуществляется следующим образом: при движении копателя лемех подрезает почвенный пласт, который при сходе с лемеха разрушается и разбрасывается по поверхности поля гребёнками вращающегося ротора. После прохода копателя получается полоса шириной 1,5-3 м, на поверхности которой располагается основная масса клубней. Бригаду подборщиков (13-18 человек) размещают так, чтобы каждый подборщик имел участок длиной 15 - 25 м. Недостатками копателей швыряльного типа являются большие потери клубней (количество клубней, засыпанных почвой, до 25%), невозможность подбора клубней сразу после прохода копателя, а также повышенные повреждения клубней, особенно при работе на сухой почве. Затраты труда на подбор клубней после копателей швыряльного типа на 20-25% выше, чем после картофелекопателей просеивающего типа. К преимуществам копателей швыряльного типа относится возможность использования их на почвах повышенной влажности и засорённых мелкими камнями. В России их наиболее широко используют в Северо-западных районах. За рубежом машины этого типа применяют главным образом в Скандинавских и Прибалтийских странах. Картофелекопатели просеивающего типа подкапывают грядки и перемещают подкопанный пласт на сепарирующие рабочие органы. Сепарирующие рабочие органы чаще всего применяют двух основных типов: прутковые элеваторы и качающиеся грохоты. В некоторых конструкциях в Y качестве сепарирующих рабочих органов используются также кулачковые и валковые грохоты, а также различного рода ротационные сепараторы. Подкопанный пласт вместе с кустами картофеля поступает на элеватор (грохот), почва просеивается через зазоры между прутками, клубни, ботва и оставшиеся комки почвы сбрасываются сзади машины на поверхность поля. Затем клубни подбирают рабочие. Для работы в более тяжёлых условиях на картофелекопателях устанавливают последовательно два-три прутковых элеватора, а также оборудуют их битерами, рыхлителями и сепарирующими решетками. L Затраты труда на подбор клубней после картофелекопателей просеивающего типа колеблются в пределах 70-130 Чел.-ч./га в зависимости от урожая и почвенно-климатических условий.
Математическое моделирование разрушения комков и сепарации почвы
Процесс отделения почвенных примесей от картофеля протекает при соблюдении двух условий. Первое условие заключается в необходимости непрерывного перемещения сепарируемого материала от места приёма до схода его с рабочей поверхности. Второе условие определяется необходимостью более полного отделения сопутствующих примесей от основного материала.
Почвенный пласт с клубнями картофеля, подрезанный лемехами картофелеуборочной машины и поступающий на поверхность сепарирующего устройства через скоростной элеватор картофелекопателя, взаимодействует с вращающимися рабочими элементами. При перемещении по рабочей поверхности почва крошится и просеивается, а клубни, совершая сложное хаотическое движение, продвигаются к выходу. При этом движение картофельной массы с примесями происходит с огибанием вершин конусов рабочих элементов и представляет собой сложное криволинейное движение, за счёт этого масса проходит больший путь по сепаратору и увеличивается время воздействия рабочих органов сепаратора на массу. В это время некоторые из клубней подбрасываются вверх, совершая свободный полёт, пока снова не встретятся с сепарирующей поверхностью. Другие движутся без отрыва от поверхности, перекатываясь и вращаясь вокруг своего центра масс. В данном случае, такие режимы движения клубней, а также показатель полноты выделения примесей зависят от скорости и частоты соударений компонентов обрабатываемой массы с рабочими элементами сепаратора и определяются в основном его скоростным режимом.
Для снижения вероятности сгруживания массы на сепараторе и уменьшения повреждения клубней скоростной режим и угол наклона сепарирующей поверхности выбираются таким образом, чтобы обеспечить движение клубненосного вороха по рабочей поверхности без обратного скатывания.
Ранними исследованиями в направлении улучшения процесса сепарации были изучены и анализированы вопросы движения почвенных частиц и клубней по различным видам сепарирующих поверхностей, которые имеют различные формы и принципы работы, в том числе и ротационные битерные сепараторы. Поэтому, принимая во внимание изучение движения клубня по ротационному битерному сепаратору /108/, принимаем за основу теоретические предпосылки к исследуемому ротационному прутковому сепарирующему устройству. На основе этих данных рассмотрим схему движения одиночного клубня по прутковой поверхности сепаратора.
На рисунке 2.5 представлена схема действующих сил, возникающих при взаимодействии клубня с рабочими элементами сепаратора. На клубень будут действовать - сила тяжести P=mg, сила трения клубня по поверхности F ,=ftN, нормальная сила реакции поверхности N, центробежная сила инерции F/ = тра?, где р - расстояние от центра вращения рабочего элемента до центра клубня, сила инерции Кариолиса Fk - 2mcoVr. Для математического описаЕіия движения клубня принимаем допущения, что клубень с своей структуре однородный, имеет сферическую форму и в рассматриваемый отрезок времени совершает плоскопараллелыгое движение. Сепарирующее устройство характеризуется транспортирующей способностью или свойством перемещения вороха клубней по рабочим поверхностям от места приёма до схода с неб. Для того, чтобы увеличить путь, проходимый массой по сепаратору и тем самым улучшить сепарирующую способность последнего применяем рабочие органы - роторы с разными углами наклона прутковых образующих от центра ротора. Величину углов наклона можно обосновать с помощью угла трения клубней о рабочие элементы, что объясняет их свободное скатывание и движение не только -59-по ходу картофелеуборочного агрегата, но и в стороны от его движения, в результате чего получается сложное движение картофельной массы с огибаїїием больших диаметров роторов. Различают несколько видов трения: трение скольжения, трение качения, трение опрокидывания клубней. Трение опрокидывания по опытным данным больше трения качения, но меньше трения скольжения /20,37/. Это трение появляется тогда, когда клубень поворачивается под воздействием под воздействием движущейся силы вдоль своей большей оси. Каждый вид трения характеризуется коэффициентами или соответствующими углами трения. Коэффициенты и углы трения качения во всех случаях меньше коэффициентов и углов трения скольжения. Численные значения коэффициентов и углов трения представлены в таблице 2.1. Из таблицы видно, что эти значения зависят от материала поверхности, с которой соприкасаются клубни.
Экспериментальные исследования картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором
Зависимость полноты выделения почвенных частиц на сепараторе от угла наклона и длины сепарирующей поверхности, угловой скорости вращения роторов и скорости движения агрегата в целом. Эксперименты проводили с помощью матрицы оптимального плана для четырёх факторов Бокса (В4) для проведения экспериментов с целью описания поверхности отклика полиномом второго порядка.
В таблице 4.4. представлены факторы и уровни их варьирования, используемые в эксперименте.
Многофакторный регрессионный анализ, выполненный на основе результатов исследований, позволил установить следующую зависимость выходной величины исследуемого процесса от приведённых в матрицах планирования (Табл. П. 3. и Табл. П. 11.) факторов (модели в кодированном виде).
После исключения из уравнения регрессии коэффициентов с уровнем значимости более 0,5 и проведения повторного многофакторного регрессионного анализа, без учета незначимых эффектов, были получены результаты, представленные в таблицах П.З. и П. 7.
Анализируя уравнение можно сказать, что на процесс просеивания почвы через сепаратор влияют не только сами факторы, ио и парное взаимодействие второго и третьего, второго и четвёртого, третьего и четвёртого, а также квадраты второго и четвёртого факторов. Знак «+» свидетельствует о том, что с увеличением значения фактора величина оклика возрастает и наоборот. Чем больше значение коэффициента, тем сильнее влияние фактора.
Из таблиц П.З. и П.7. можно сделать вывод, что модель (4,2) информационно способна, так как коэффициент детерминации параметра У1 достаточно велик (R - квадрат равен 94,83%). Рассматриваемая модель значима, так как существует статистически значимое отношение между переменными на уровне 97%. Заметной корреляции между опытными значениями, размещенными в матрицах нет, т. к. статистика Durbin-Watson (DW) больше, чем 1,4.
Проверку значимости коэффициентов уравнения регрессии осуществляли с использованием критерия Стьюдента, а адекватность всего уравнения с помощью критерия Фишера.
Табличное значение критерия Стьюдента при степенях свободы f=24-4-l=19 и 5% - ном уровне значимости ЦО,05;20)= 1,729. Расчетные значения критерия Стьюдента всех коэффициентов регрессии больше табличного, что указывает на их значимость.
По результатам анализов дисперсий для полной регрессии уравнения F -отношение равно 28,556. Табличное значение критерия Фишера при вероятности а = 0,05, числе степеней свободы для объясненной дисперсии f]=4 и остаточной дисперсии f2=19 равно 2,9. Так как F=28}556 2,9 и уровень значимости модели р=0,00000017 0,001, то модель адекватна.
Анализируя графики (рис. 4.5.-4.10.), можно отмстить, что с увеличением угла наклона и длины сепарирующей поверхности сепарирующая способность увеличивается. Большее выделение почвешвых частиц наблюдается при угловой скорости вращения сепарирующих валов 16 рад/с. С уменьшением или увеличением угловой скорости сепарирующая способность уменьшается.
Увеличение длины сепаратора на 0,4 м приводит к увеличению полноты выделения почвенных частиц при угловой скорости ш=2 0 рад/с на 4,7%j при Ш=16 рад/с на 2,8% и при ш=12 рад/с на 4,2%.
Анализ графиков зависимости полноты выделения почвенных частиц от угловой скорости вращения сепарирующих валов (рис. 4.6, 4.8, 4.9.) показывает на явно выраженные максимумы экспериментальных кривых в области угловой скорости вращения сепарирующих валов ш=16 рад/с, что согласуется с результатами теоретических исследований.
На данном режиме вращения сепарирующих валов при скорости движения уборочного агрегата 1,0 м/с клубненосный пласт эффективно рассредоточивался по рабочей поверхности сепаратора и полнота выделения почвы составила по длине сепаратора L=l,6 м - 95,5%, при 1,,=1,2 м - 93,4% и при L=0,8 м - 91,2%.
При снижении угловой скорости вращения сепарирующих валов до 12 рад/с наблюдалось сгруживание клубненосного пласта в результате интенсивности действия прутковых роторов на обрабатываемую массу и полнота выделения почвы составила 94,6% при L=l,6 м, 91,6% при 1.-1,2 м и 88,2% при L-0,8 м.
Влияние конструктивных и технологических параметров картофелекопателя на сепарацию почвы и повреждаемость клубней картофеля
У серийной машины хоть и встряхивается клубненосный пласт на прутковых элеваторах, веб равно почвенные примеси больше выносятся на сход, особенно при неблагоприятных условиях уборки картофеля.
Количество повреждений на 100 клубней у серийной машины оказалось 0,65 шт., а у испытываемой машины - 0,26 шт. Повреждено клубней всего в % по весу у серийной машгаты оказалось больше на 40% по сравнению с испытываемой машиной. Объясняется это тем, что у серийной машины прутковый элеватор металлический и при сепарировании используется прямой удар, а у испытываемой машины прутковая поверхность обрезинсна и при сепарировании используется косой удар, что ведёт к значительному снижению травмирования клубней картофеля при уборке.
Приведённые сравнительные показатели качества работы картофелекопателей свидетельствуют о том, что испытываемая машина с ротационным прутковым сепаратором работает лучше, чем серийный картофелекопатель КСТ-1,4А, особенно при уборке картофеля в неблагоприятных условиях. В частности у испытываемой машины за счёт взаимодействия прутковых роторов с клубненосным пластом происходит интенсивное просеивание почвенных частиц на сепараторе, а также применение косого удара и обрезиненной поверхности прутков роторов способствует уменьшению повреждения клубней картофеля при уборке.
Материалы раздела позволяют сделать следующие выводы: 1. Получены зависимости полноты выделения почвенных частиц, содержания почвенных частиц на сходе с сепаратора и общей повреждаемости клубней от длины сепарирующей поверхности, угловой скорости вращения сепарирующих валов, скорости движения картофелеуборочного агрегата и угла наклона прутковых образующих к горизонту. 2. Экспериментальными исследованиями проверены теоретические обоснования процесса сепарации почвы и определены рациональные параметры и режимы работы ротационного пруткового сепаратора почвенных примесей картофелеуборочной машины: количество роторов - 4, угловая скорость вращения валов 14... 16 рад/с, величина просветов между прутками роторов - 35 мм, скорость движения агрегата 1,0...1,2 м/с, угол наклона прутковой образующей к горизонту 20 градусов. 3. Картофелекопатель с ротационным прутковым сепаратором позволяет получить одинаковые показатели качества работы при скорости агрегата, большей на 45% в сравнении с серийным картофелекопателем КСТ-1,4А. 4. По результатам испытаний копателя в производственных условиях достигнута полнота выкапывания клубней 93,5...98,6% при повреждаемости 1,4...4,5%, что соответствует агротехническим требованиям для аналогичных конструкций машин. 5. Производственные испытания картофелекопателя с новым сепаратором подтвердили выводы о том, что он улучшает качество уборки картофеля и позволяет повысить производительность на 44%. Результаты исследований по изучению агротехнической эффективности применения и производственных испытаний картофелеуборочной машины с ротационными рабочими органами служат основой для расчета технико-экономических показателей его работы. Экономическую эффективность использования картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором определяли по результатам сравнительных испытаний в полевых условиях СПК «Скворцовский» Торопецкого района Тверской области. Стоимость картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором определялась по укрупнённым нормативам /92/, в качестве базовой модели принят серийный картофелекопатель КСТ - 1,4А. Вес цены приведены на 1 января 2004 года. Исходные данные для расчета экономической эффективности при оптимальных параметрах и режимах работы картофелеуборочного агрегата приведены в таблицах 5.1. и 5.2. Сравнительная технико — экономическая оценка эффективности улучшенной технологии уборки картофеля с учетом применения новых сепарирующих рабочих органов приведена в таблице 5.3. Экономический эффект получен за счёт повышения качества продукции, достигнутого за счет уменьшения повреждаемости клубней, а также за счёт повышения производительности труда. Проект оптовой цены картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором рассчитан исходя из оптовой цены серийного картофелекопателя КСТ-1,4А. Лимитсгую цену картофелекопателя с ротационным прутковым сепаратором (Цл) рассчитали по выражению.
