Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и направление исследований 9
1.1. Значение и состояние свекловодства России 9
1.2. Развитие свеклоуборочной техники 10
1.3. Выкапывающие рабочие органы свеклоуборочных машин 20
1.4. Анализ результатов работы активных вильчатых рабочих органов 38
1.5. Обоснование направления исследований 49
2. Обоснование параметров вильчатого выкапывающего рабочего органа с вращающимися вибрирущими наконечниками 51
2.1. Создание нового рабочего органа 51
2.2. Теоретические подходы к обоснованию параметров новых рабочих органов 55
2.3. Уточнение геометрических параметров нового рабочего органа 56
2.4. Уточнение кинематических параметров вращения наконечников 62
2.5. Обоснование параметров вибрации наконечников 64
3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 68
3.1. Условия проведения исследований 68
3.2. Программа исследований 69
З.3. Методика исследований 69
4. Результаты экспериментальных исследований 78
4.1. Размерно-массовая характеристика корнеплодов 78
4.2. Лабораторно-полевые исследования 82
4.3. Сравнительные испытания рабочих органов 95
4.4. Производственная проверка и расчет экономической эффективности 104
Общие выводы 108
Предложения производству 109
Литература 110
Приложения 128
- Выкапывающие рабочие органы свеклоуборочных машин
- Уточнение геометрических параметров нового рабочего органа
- Методика исследований
- Лабораторно-полевые исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Сахарная свекла входит в число важнейших сельскохозяйственных культур России. Она является единственным источником выработки белого сахара — ценного продукта питания и сырья для многих отраслей промышленности. Однако свекловодство в настоящее время обеспечивает потребность страны в сахаре не более чем на 26-28 %.
Основной причиной такого состояния являются организационные и экономические проблемы. Но нельзя исключить и недостаточную техническую оснащенность всего технологического процесса производства сахарной свеклы и сахара. Хозяйства работают на технике, приобретенной в доперестроечные годы. Анализ работы техники для возделывания и уборки сахарной свеклы показал, что самым узким звеном технологической цепи является уборка. Попытка повысить качество и производительность уборочных работ за счет завоза зарубежных свеклоуборочных комбайнов не увенчалась успехом вследствие непомерно высоких цен на эту технику, делающих ее недоступной для большинства российских хозяйств. Реальной альтернативой импорту техники может стать совместное производство зарубежных свеклоуборочных комбайнов в России, что будет дешевле для наших потребителей или усовершенствование имеющейся свеклоуборочной техники на основе отечественных научно-технических достижений и изобретений в этой области.
Основной машиной в свеклоуборочном комплексе является корнеубо-рочная машина, а ее главным узлом - выкапывающие рабочие органы. Из всех типов выкапывающих рабочих органов, которые использовались в России, по качеству работы и надежности технологического процесса выделились два — вильчатые с вращающимися наконечниками вилок и дисковые с приводом одного из дисков.
Многолетние сравнительные исследования активных вильчатых и дисковых копачей показали, что преимущество имеют вильчатые копачи с вращающимися коническими наконечниками. Основным преимуществом вильчатых копачей является уменьшенное повреждение корнеплодов при извлечении их из почвы, пониженные энергозатраты на технологический процесс, лучшая предварительная сепарация почвы в процессе извлечения из нее корнеплодов, более широкий диапазон почвенных условий, в котором вильчатые копачи сохраняют работоспособность.
Исследованиями активных вильчатых копачей занимались Ю.Б. Аванесов, И.П. Бармина, Н.И. Бублик, В.М. Булгаков, Н.М. Зуев, А.С. Кравченко, Т.П. Кругликов, О.И. Литвинов, А.А. Покуса, И.И. Русанов, А.К. Сарапулов, В.А. Семыкин, Д.Т. Турусбеков, Е.Б. Филинов, В.А. Хвостов и др. Особенно большой вклад в разработку конструкции и проведение исследований вильчатых копачей внесли А.Ф. Волик и Н.И. Кривогов. Совершенствование их шло в направлении либо применения дополнительных рабочих органов, либо придания колебаний всему копачу с целью более интенсивного рыхления почвы в зоне рядка. Однако вследствие услож-
. 4
нения конструкции и снижения ее надежности эти изменения не нашли практического применения.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности работы выкапывающих устройств корнеуборочных машин, способных обеспечить качественное извлечение корнеплодов из почвы. Для достижения этой цели предстояло решить следующие задачи:
разработать выкапывающий рабочий орган с вибрирующими в осевом направлении коническими наконечниками, работоспособный во всем диапазоне почвенно-климатических условий, при которых применяются корнеуборочные машины с копачами вильчатого типа;
обосновать основные параметры нового рабочего органа с учетом изменений в процессе выкапывания корнеплодов, вносимых колебаниями наконечников в продольном направлении, а также определить необходимые параметры этих колебаний - частоту и амплитуду;
провести экспериментальные исследования для уточнения основных параметров нового рабочего органа;
провести производственную проверку новых рабочих органов, установленных на корнеуборочную машину РКМ-6-01;
определить экономическую эффективность применения корнеубо-рочной машины с новыми рабочими органами.
Объект исследования. Технологический процесс извлечения корнеплодов сахарной свеклы вильчатыми выкапывающими рабочими органами, оснащенными вибрирующими вращающимися коническими наконечниками.
Предмет исследования. Закономерности процесса извлечения корнеплодов сахарной свеклы вибрационными вращающимися коническими наконечниками вильчатых копачей.
Методы исследования. При исследовании были использованы: метод планирования экспериментов, методика полевого опыта, инженерные методы испытаний свеклоуборочной техники и оценки качества ее работы, методы исследования физико-механических свойств растений и почв, методика экономической оценки сельскохозяйственной техники, а также статистические и инженерные методы анализа и обработки опытных данных.
Гипотеза. Сделано предположение, что извлечение корнеплодов сахарной свеклы из почвы будет более эффективным, если вращающимся коническим наконечникам вильчатых выкапывающих рабочих органов создать устойчивые колебания вдоль осей их вращения.
Научная новизна. В результате исследования уточнены геометрические и кинематические параметры вильчатого выкапывающего рабочего органа с учетом продольных колебаний конических наконечников вилок вдоль оси вращения, определены основные параметры вибропривода наконечников. Новизна исследования подтверждается патентом РФ № 2176867 от 20.12.2001 г.
Практическая значимость работы. Производству предложены новые вильчатые выкапывающие рабочие органы корнеуборочных машин с вращением и осевой вибрацией конических наконечников вилок, обеспечивающие снижение повреждения и уменьшение потерь корнеплодов, улучшение сепарации почвы и сокращение содержания свободной почвы в убранном ворохе.
Вопросы, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
закономерности влияния технологических параметров выкапывающих рабочих органов на процесс извлечения корнеплодов сахарной свеклы;
геометрические параметры и амплитудно-частотная характеристика вращающихся конических наконечников вильчатых выкапывающих рабочих органов;
результаты полевых и производственных испытаний вильчатых выкапывающих рабочих органов с вибрирующими вращающимися коническими наконечниками.
Реализация результатов исследования. Производственная проверка корнеуборочной машины РКМ-6-01 с новыми копачами подтвердила достоверность результатов исследования в повышении качества уборки корнеплодов. Новые рабочие органы могут быть использованы предприятиями, выпускающими корнеуборочные машины, а также свеклосеющими хозяйствами, имеющие корнеуборочные машины с вильчатыми копачами.
Апробация работы. Результаты исследования были доложены и обсуждены на IV и VI Международных научно-производственных конференциях при Белгородской ГСХА в 2000 и 2002 г.г., научно-производственных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Курской ГСХА в 2000, 2002, 2003 и 2006 гг., заседаниях кафедры «Сельскохозяйственные машины» Курской ГСХА в 2001-2005 гг.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в числе которых — 3 статьи в центральной печати и 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит введение, 4 раздела, выводы, предложения производству, список использованной литературы из 179 источников, в том числе 10 иностранных, и приложения.
Исследование проведено в Курской ГСХА и на полях СПК «Рассвет» Льговского района Курской области по научно-исследовательской теме «Совершенствование механизации производства и переработки продукции растениеводства и животноводства» (№ госрегистрации 01.200.202032) в 2001-2005 гг. Доля личного участия соискателя в проведении исследований составляет 80-85 %.
Выкапывающие рабочие органы свеклоуборочных машин
Качественное извлечение корней из почвы при уборке сахарной свеклы обеспечивают выкапывающие рабочие органы (копачи). Они выполняют следующие функции: нарушают связь корнеплодов с почвой; полностью извлекают из почвы все корнеплоды без их повреждения; активно крошат почву в процессе извлечения корнеплодов, чтобы предупредить поступление в сепарирующие рабочие органы крупных почвенных комьев и глыб [129]. В тоже время они обеспечивают непрерывность и постоянство технологического процесса извлечения корнеплодов без забивания почвой и растительными остатками при минимально необходимом энергопотреблении и материалоемкости.
В настоящее время наблюдается большое разнообразие выкапывающих рабочих органов свеклоуборочных машин [1, 4, 21, 44, 61, 127, 129], которое можно свести к следующим классам (рис. 1): лемешковые; вильчатые; диско 21 вые; подкапывающе-игольчатые; комбинированные. Еще в начале XX века определились 3 основных типа копачей - лемешковые, вильчатые и дисковые. Каждый из них, как показала долголетняя практика применения, имеет свои преимущества и недостатки [4], что и определило их параллельное использование в конструкции свеклоуборочных машин.
Анализ информации, опубликованной по различным выкапывающим рабочим органам, показывает, что результаты сравнительных исследований по качеству работы основных типов копачей практически отсутствуют [161]. Исследователи публикуют данные в основном по тому рабочему органу, который они обосновывают и изучают, а для сравнения приводят данные по органу, который они считают общепринятым, только для каких-то оптимальных условий[18]. Из немногих можно отметить сравнительные данные, приведенные в работе [138], по тяговому сопротивлению различных рабочих органов. А.В. Рябой утверждает, что вильчатые и дисковые копачи имеют на 25,6-41,9% меньшее тяговое сопротивление, чем пассивные лемешковые. Наибольшее количество данных имеется по сравнению вильчатых копачей с вращающимися наконечниками и дисковых копачей, один из дисков которых имеет привод. Так, Н.И Кривогов и И.П. Бармина [85] сравнивали указанные копачи по подаче почвы на сепарирующие рабочие органы при различной скорости поступательного движения копачей. Вильчатый активный копач производит лучшую предварительную сепарацию почвы, чем активный дисковый. В диапазоне скоростей 1,9-3,0 м/с потери невыкопанными корнеплодами у вильчатого копача составляли 0,5-2,0%, а у дискового - 3-18%; повреждения корнеплодов соответственно 0,7-5,0 и 17-25%; примесь почвы - в 1,4-3,0 раз меньше.
Как указывает В.В. Брей [18,19], и вильчатым, и дисковым копачам присущи как преимущества, так и недостатки. Их главным достоинством является возможность работы на скоростях до 2,3-2,5 м/с, что обеспечивает высокую производительность оснащенных ими уборочных машин. Однако даже в нормальных условиях уборки эти копачи по качеству работы не всегда соответствуют агротехническим требованиям, а на уплотненной и увлажненной почве качество их работы существенно ухудшается. Качество работы дисковых копачей особенно снижается на почвах повышенной твердости. Так, при работе на почве твердостью 3,0-4,5 МПа количество сильно поврежденных корнеплодов доходит до 40% при их потерях более 10% и засоренности убранного вороха почвой 22-33%. В условиях Северного Кавказа сравнивали вильчатые и дисковые выкапывающие устройства по качеству уборки корнеплодов при различной влажности почвы [П, 12]. Полученные данные сведены в таблицу 3.
Как показали результаты исследований (таблица 3), вильчатые выкапывающие рабочие органы с высоким качеством убирают сахарную свеклу при различной влажности почвы, в то время как качество работы дисковых копачей при повышении влажности почвы существенно ухудшается. При работе на почвах повышенной твердости (5,0-5,5 МПа) вильчатые копачи подавали вместе с ворохом корнеплодов примерно в 5 раз меньше почвы, чем дисковые. Недостатком дисковых копачей является также повышенное травмирование корнеплодов за счет образования в них внутренних трещин и разрезания наиболее крупных корнеплодов дисками [61]. В таблице 4 приведены результаты сравнительных испытаний корнеубороч-ной машины КС-6 с дисковыми активными копачами и РКС-6 с вильчатыми активными копачами в тех же условиях Северного Кавказа (КубНИИТиМ). Данные таблицы 4 показывают, что в сопоставимых условиях (1976 г.) качество работы вильчатых копачей выше, чем дисковых, особенно по повреждению корнеплодов, хотя в благоприятных условиях уборки (1975 г.) машина КС-6 также обеспечивает хорошие результаты. Была сделана попытка заменить плоские диски сферическими для улучшения качества работы дискового копача [86]. Результаты сравнения таких копачей с вильчатыми показаны в таблице 5.
Исследования показали (таблица 5), что копачи в виде сферических дисков не имеют преимуществ в сравнении с активными вильчатыми. В то же время авторы рекомендуют использовать сферические дисковые копачи на твердых почвах спереди вильчатых для предварительного разрыхления почвы, что снижает содержание почвы, особенно крупных комков, в убранном ворохе.
Таким образом, выкапывающие рабочие органы свеклоуборочных комбайнов и корнеуборочных машин различных типов имеют как положительные стороны, так и недостатки, что и определяет их многообразие при практическом использовании. В России в свое время отказались от использования лемешковых копачей из-за пониженного качества работы и недостаточной технической надежности их активных вариантов. Однако в последнее время вновь вернулись к ним, ориентируясь на надежные импортные конструкции, например, германские. Комбинированные копачи по типу французских также не нашли широкого применения из-за того, что убранный с их помощью ворох корнеплодов нуждается в усиленной очистке, при которой происходит повреждение корнеплодов, вследствие чего они мало пригодны для длительного хранения, характерного для условий России. В производстве применяются в основном дисковые и вильчатые копачи, совершенствование которых продолжается.
Лемешковые выкапывающие рабочие органы были первыми, использованными в России в конструкции свеклоуборочных машин [4, 13, 21]. К настоящему времени разработано и используется в свеклоуборочных машинах большое количество конструкций лемешков. Многолетняя практика показала, что пассивные лемешковые копачи в сравнении с вильчатыми и дисковыми имеют худшие качественные показатели [21, 127, 129, 161]. Они допускают повышенное содержание свободной почвы, особенно комьев, в убранном ворохе, сильнее повреждают корнеплоды при выкапывании, при повышении влажности почвы быстрее забиваются. При повышении скорости движения крошение почвы улучшается, но до определенного предела, после которого почва начинает сгруживаться перед лемешками. Испытания показа 26 ли, что на почвах влажностью 8% и твердостью 4,5-5,0 МПа примесь комьев почвы в убранном ворохе корнеплодов достигает 60%, а сгруживание почвы наблюдается уже при скорости выше 2 м/с [21]. Все это послужило причиной отказа от использования пассивных лемешковых копачей в производстве.
Уточнение геометрических параметров нового рабочего органа
Основными геометрическими параметрами вильчатых копачей с вращающимися коническими наконечниками являются: угол раствора осей наконечников вилок, от которого зависят захват всех корнеплодов различного диаметра и взаимодействие между вилками выкапывающего рабочего органа; угол конуса наконечников; длина конической части наконечников; расстояние между концами вилок и зазор на выходе из наконечников.
Основное воздействие на почву и корнеплоды производится поверхностями конических наконечников, находящихся в контакте с корнеплодом. Чтобы почва с корнеплодами не сгруживалась перед копачами, их поверхность должна быть такой, чтобы почва скользила по ним, преодолевая силы трения. При контакте корнеплодов с поверхностью наконечников корнеплоды также должны скользить по этой поверхности, подпираемые почвой и другими корнеплодами. Вильчатые копачи работают в почве подобно двугранному клину без опорной поверхности. При этом почва с корнеплодами движется между коническими наконечниками по их поверхности от образующих осевого сечения до верхних образующих. Чтобы почва перемещалась (скользила) по поверхности наконечников, она должна скользить по образующим. В этом случае угол клина (см. рис. 2) равен: Х = а + р, (2) где а - угол наклона плоскости, в которой лежат оси наконечников к горизонтальной плоскости - угол наклона вилок, град.; Р - угол между осью конуса и его образующей. Его можно назвать углом наклона конуса, град. В соответствии с классической теорией клина Горячкина В.П. [49] при движении почвы по поверхности клина с трением горизонтальная движущая сила равна (рис. 4): p=N.sin( ) ( (3) costp где Р - горизонтальная движущая сила, Н; N - нормальная реакция к поверхности клина, Н; ф - угол трения скольжения почвы по поверхности клина, град. Нормальную реакцию N создает нормальная составляющая силы Р и давление почвы. Чтобы отвлечься от трения, акад. В.П. Горячкин предложил поднять поверхность клина на угол ю , то есть угол клина будет равен X + , а нормальная реакция без учета давления почвы будет равна: N =- -=P-sin(b+p). (4) cos ер С учетом давления почвы нормальная реакция будет равна: N P-cos -sin(X+ ). (5) Подставив это значение в выражение (3), получаем sin2(X+0 ) l. (6) Это условие выполняется при X + ф 90 .Отсюда X 90 - ф ; следовательно а + р 90-ф. Тогда а 90 р-ф. (7) Вибрация наконечников в осевых направлениях облегчает скольжение почвы с корнеплодами по их поверхности, в связи с чем условие (7) надежно выполняется. Условие (7) необходимо рассматривать при наибольшей глубине хода наконечников. При уменьшении этой глубины выполнение условия (7) будет обеспечено, так как угол а уменьшится.
Для скольжения почвы и корнеплодов по образующим наконечников, лежащим в плоскости наклона их осей, необходимо выполнение аналогичного условия, что рассмотрено в работе [34]. С учетом конуса наконечников имеем 0,5(ц + Ро) 90-ф, (8) где ц - угол раствора между осями наконечников, град.; Ро - угол конуса наконечников, град, т. е. угол между образующими конуса в осевом сечении. Отсюда ц 180-ро-2ф. (9) Соблюдению условия (9) также способствует вибрация наконечников вдоль их осей. Для извлечения корнеплодов из почвы при соприкосновении их с поверхностью наконечников необходимо, чтобы корнеплоды были защемлены между боковыми образующими наконечников. Угол защемления равен, ц + р0. Условие защемления получено акад. М.В. Сабликовым [139] в виде Х 2ф,, (10) где х - угол защемления, град.; Фі - наименьший угол трения по защемляемому телу поверхности защемления, град. По опытным данным, угол трения скольжения почвы по стали меньше или равен 45, а угол трения корнеплода о сталь находится в пределах 33. Поэтому для защемления корнеплода следует принимать меньшее из этих значений. Вместе с тем, отдельные авторы считают, что корнеплоды соприкасающиеся с наконечниками через прослойку влажной почвы, имеют угол трения ф] = 18 [86]. Таким образом, для защемления корнеплодов между наконечниками следует выполнять условие Ц + Ро 2ф,, (11) Тогда Ц 2ф,- р0. (12) По условиям (9) и (12) выбирают наименьшее значение ц. Применение вибрации наконечников в направлении их осей требует дополнительного исследования параметров угла конуса. С одной стороны, отсутствие скольжения почвы по поверхности наконечника при вибрационном движении его вперед увеличивает зону воздействия наконечников на почву. При этом уменьшается сопротивление проникновению наконечников в почву, в связи с чем несколько снижается расход энергии на работу копачей.
Наконечники внедряются в почву в осевом направлении под действием силы Р (давления), получаемой от кулачкового механизма привода. Из тео 60 рии почвенных твердомеров известно, что сопротивление внедрению в почву симметричного штампа практически не зависит от типа штампа, а зависит от площади наибольшего сечения штампа [41]. При внедрении конуса площадь поперечного сечения штампа увеличивается с глубиной до наибольшей. В любом поперечном сечении конуса на него действуют силы, пропорциональные площади этого сечения. Противодействуют внедрению конуса нормальные силы со стороны почвы (давление) N и касательные силы по поверхности почвы (силы трения) FTp [79]. Для внедрения конуса в почву необходимо выполнить условие: р 2(F cos +tf-sinlk), (із) 2 где Ро - угол конуса наконечника, град. Но N = Р sin ро/2 . После подстановки этого уравнения в выражение Р и тригонометрических преобразований получаем: sin Ро = ї 14 где f - коэффициент трения поверхности наконечника по почве (f=tgq ). При знаке ( ) вместо равенства наконечник внедряется в почву со скольжением почвы по его поверхности, при знаке ( ) - с ее смятием в направлении, нормальном к поверхности конуса. Таким образом, выражения (7), (9), (12) и (14) позволяют уточнить величину углов наклона вилок выкапывающего рабочего органа к горизонтальной плоскости, раствора вилок между осями их наконечников и конуса наконечников. Величины расстояния между концами вилок и зазора на выходе из наконечников зависят от диаметра корнеплодов. Расстояние между концами вилки должно обеспечить прохождение корнеплода наибольшего диаметра, а зазор на выходе из наконечников - пропуск корнеплодов наименьшего диаметра, меньше которого корнеплоды считаются некондиционными, то есть D A B, m D . max в mm (15) где Dmax и Dmm - наибольший и наименьший диаметры корнеплодов, м; Ав - расстояние между концами вилки , м; В - ширина междурядий, м; m - зазор между наконечниками на выходе, м. Чтобы использовать выражение (15), необходимо произвести замер диаметра корнеплодов, так как имеющиеся справочные данные получены на сортах и гибридах сахарной свеклы, снятых с районирования. Применение формул (7), (9), (12), (14) и (15) дает возможность рассчитать геометрические параметры нового рабочего органа. Результаты расчета сведены в таблицу 6. Таблица 6. Геометрические параметры нового вильчатого рабочего органа Из таблицы 6 видно, что ранее принятые параметры не всегда совпадают с полученными расчетным путем, что требует их корректировки. 2.4. Уточнение кинематических параметров вращения наконечников
При движении концов вилки в почве на глубине хода они разрыхляют почву вдоль линии своего поступательного движения, сжимают ее между наконечниками и выдавливают вверх вместе с корнеплодами. По мере продвижения корнеплодов между наконечниками давление почвы, в том числе и его вертикальная составляющая, возрастают. При этом почва сминается и разрушается (разрыхляется), а корнеплоды с частью почвы выжимаются вверх. При захвате корнеплодов корнезаборниками и битером часть почвы осыпается вниз, а корнеплоды поступают на транспортирующие и сепарирующие органы машины. Вибрация наконечников в осевых направлениях усиливает разрушение почвы и облегчает отделение ее пласта между концами наконечников от основного массива, а вращение наконечников создает дополнительную силу подъема корнеплодов вверх, исключая трение скольжения тел корнеплодов о наконечники или уменьшая его. Так как наконечники конические, скорость касательного движения вверх увеличивается по мере продвижения корнеплодов вглубь русла.
За время движения корнеплода в русле между наконечниками он должен подняться вверх на величину h, при которой нарушается связь его хвостовой части с почвой. По опытным данным, величина h находится в диапазоне от 30 до 80 мм [33]. После этого корнеплоды должны захватываться корнезаборниками. Пусть L - длина конической части наконечника. Тогда длина пути Sr по горизонтали равна:
Методика исследований
При планировании и проведении лабораторно-полевых и полевых опытов, оценке их результатов использовались методы планирования экспериментов [ПО, 113, 130], методика полевого опыта [29, 56, 83, 104], инженерные методы испытаний сельскохозяйственной, в том числе свеклоуборочной техники и оценки качества ее работы [73, 111, 120, 125, 141, 150], методы исследования физико-механических свойств растений и почв [41, 124], методика экономической оценки сельскохозяйственной техники [115, 154], статистические и инженерные методы анализа и обработки опытных данных [29, 56,83,110,125.130].
Для исследования параметров нового выкапывающего рабочего органа в полевых условиях была разработана и изготовлена однорядная лаборатор-но-полевая установка, схема которой изображена на рис. 5. 1 - выкапывающий рабочий орган; 2 - редуктор активной вилки; 3 - ограничитель глубины хода копача; 4 - рулон пленки; 5 - контроль частоты вращения наконечников; 6 - цепной привод активной вилки; 7 - конический редуктор; 8 - корнезаборник; 9 - цепной привод битера; 10 - отбойный битер; 11 - рама; 12 и 13 -цепные приводы корнезаборника; 14 - коробка перемены передач; 15 - корнеплод. Лабораторно-полевая установка собрана на общей раме 11. На раму прикреплены вильчатый копач 1, корнезаборник 8 и отбойный битер 10, механизмы привода, в том числе коробка перемены передач 14, регулятор глубины хода 3, рулон пленки 4.
Регулятор глубины хода вилки представляет собой пассивные копиры, смещаемые на раме по отверстиям кронштейна их крепления. Изменение частоты вращения конусов вилок, корнезаборника и битера осуществляется с помощью коробки перемены передач, сменных звездочек цепных передач. Частота колебаний конических наконечников регулируется сменой кулачковых муфт.
В процессе движения лабораторно-полевой установки конусные наконечники вилки 1, совершая поступательное движение вместе с установкой, вращательное движение относительно своих осей и возвратно-поступательное движение вдоль этих осей, извлекают корнеплоды из почвы. Затем наконечники передают их в корнезаборник 8, откуда корнеплоды битером 10 сбрасываются на дорожку полиэтиленовой пленки, расстилаемую из рулона 4, или на поверхность почвы. Извлеченные копачом корнеплоды складываются в ящики для анализа проб. Пробы собирают после каждого прохода лабораторно-полевой установки.
Для сравнительных исследований новых рабочих органов и серийных использовали корнеуборочную машину РКМ-6-01. Три вильчатых копача, оставленные с одной стороны машины - серийные, а три, установленные с другой стороны машины, экспериментальные (рис. 6). Таким образом, за один проход машины РКМ-6-01 рядом проходят оба варианта корневыкапы-вающих рабочих органов, качество работы которых можно сравнить в одинаковых условиях уборки. Перед каждым проходом корнеуборочной машины РКМ-6-01 изменяли глубину хода копачей и скорость поступательного движения выкапывающих рабочих органов. Для раздельного учета собранных корнеплодов от каждого варианта рабочих органов были установлены разделительные перегородки на продольном транспортере и бункере-накопителе. - серийные вильчатые копачи; 2 - экспериментальные вибрационные вильчатые копачи.
Для производственной проверки корнеуборочная машина РКМ-6-01 комплектовалась полным набором экспериментальных рабочих органов. Контролем служил серийный вариант корнеуборочной машины с серийными активными вильчатыми копачами. Все регулировки и режимы работы были одинаковыми. Перед проведением полевых исследований проводили оценку условий исследований по следующим показателям: а) влажность почвы на глубине до 30 см - путем отбора проб при по мощи специального почвенного бура через 10 см и последующей сушки их в электросушильном шкафу при Т = 100 - 105С в течение 8 часов. При этом отношение массы испарившейся влаги к первоначальной массе пробы, выра женное в процентах, является абсолютной влажностью почвы. б) твердость почвы в рядке и междурядье - определяли прибором Ре вякина в горизонтах 0-10 см, 10-20 см, 20-30 см; Качество корнеплодов оценивали тремя показателями повреждений: - слабо поврежденные - корнеплоды с наличием трещин глубиной менее 10 мм, рваным срезом с углублением в теле корнеплода не более 10 мм и с обломанной хвостовой частью диаметром от 10 до 40 мм; - сильно поврежденные - корнеплоды, имеющие повреждения глубиной более 10 мм и сколы до размера третьей части корнеплода, а также корнеплоды с обломанной хвостовой частью по диаметру более 40 мм; - неповрежденные корнеплоды - корнеплоды с гладкой поверхностью и поверхностью среза, без трещин и деформаций, с обломом хвостовой части менее диаметра 10 мм.
Изучение размерно-массовой характеристики корнеплодов. Размерно-массовую характеристику корнеплодов сахарной свеклы определяли на протяжении 5 лет (2001-2005 гг.) с использованием методик других исследователей [73, 120]. На опытных участках, где проводились исследования опытных установок и машин, по диагонали отмеряли опытные площадки размером (5,4 х 2,0) м (поперек прохода сеялки), на которых сплошным отбором выкапывали по 30-40 корнеплодов, с тем чтобы общее число их в пробе составляло 100 корнеплодов. С каждого корнеплода срезали ботву на уровне прикрепления черешков листьев и хвостовую часть в том месте, где ее диаметр составлял 10 мм. Счищали налипшую почву. Измеряли диаметр каждого корнеплода, длину и взвешивали с точностью до 10 г. Точность измерения размеров корнеплодов - 1 мм.
Лабораторно-полевые исследования. Для проведения исследований лабораторно-полевой установки выбирали опытный участок с ровным рельефом и равномерным распределением растений сахарной свеклы по площади поля. На опытном участке отмечали площадку длиной 20 м с числом рядков, вдвое превышающем требуемое количество проходов. В начале и конце площадки убирали вручную полосы длиной не менее 1 метра для заезда и выезда лабораторно-полевой установки. Перед этим определяли влажность почвы (по 5 проб вначале и в конце опытного участка) и твердость почвы. На площадке через один рядок откапывали растения для определения биологической урожайности. В выкопанном ворохе растений срезали ботву и корешки диаметром 10 мм, очищали корнеплоды от налипшей почвы. Корнеплоды взвешивали и относили к площади откопанных рядков. На каждом из оставшихся рядков перед проходом лабораторно-полевой установки на корню срезали ботву (на уровне прикрепления черешков листьев) и подсчитывали количество корнеплодов, а после прохода - полноту сбора корнеплодов, количество поврежденных корнеплодов, в том числе - сильно поврежденных в соответствии с [73, 111], и содержание свободной почвы в убранном ворохе корнеплодов. На корнеплодах измеряли диаметр хвостовой части в месте ее облома и диаметр корнеплода для определения потерь сахароносной массы. Потери сахароносной массы за счет облома хвостовой части корнеплодов подсчитывали по формуле [120]:
Лабораторно-полевые исследования
Исследование лабораторно-полевой установки (рис. 5) было проведено в 2001-2003 гг. в СПК «Рассвет» Льговского района Курской области на посевах гибрида ЛМС-29 в рекомендуемых почвенных условиях (влажность почвы в пределах 16-24%). Опытный участок был выбран с равномерной густотой насаждения растений в 95-100 тыс.шт./га, биологическая урожайность составляла 29-32 т/га. Перед началом исследований определяли влажность и твердость почвы (табл. 14 и 15).
В качестве изменяемых факторов в опыте были приняты поступательная скорость движения установки VM , глубина хода вилки hB , частота вращения конических наконечников п и частота осевых колебаний наконечников пс , а в качестве результирующих факторов - потери корнеплодов, потери сахароносной массы из-за обламывания хвостовой части корнеплодов диаметром более 10 мм, количество сильно поврежденных корнеплодов и содержание свободной почвы в убранном ворохе корнеплодов. С целью сокращения количества проходов лабораторно-полевой установки планирование опыта осуществлено по методике рационального планирования экспериментов [83, ПО, 130]. План опыта приведен в таблицеїб, а усредненные результаты опытов за 2001-2003 гг. сведены в таблицу 17.
Методика рационального планирования эксперимента позволяет, обработав данные таблицы 17, получить многофакторные аналитические зависимости между каждым результирующим и изменяемыми факторами [ПО, 113, 130]. Для этого методом усреднения по уровням каждого из изменяемых факторов (скорости поступательного движения, глубины хода конических наконечников, частоты их вращения и частоты их осевых колебаний) получили зависимости, которые послужили основанием для вывода формул.
Обозначим изменяемые факторы в кодовых единицах их уровней (от 1 до 5) через xi - скорость поступательного движения лабораторно-полевой установки, Х2 - глубину хода копача, хз - частоту вращения наконечников, Х4 - частоту осевых колебаний наконечников. В таблицах 18 ... 21 приведены зависимости по каждому из результирующих факторов (потерям корнеплодов, потерям массы корнеплодов с обломанными их хвостовыми частями, числу сильно поврежденных корнеплодов, содержанию почвы в убранном ворохе корнеплодов).
Зависимости, представленные в таблицах 18 .„ 21, получены методом усреднения, что позволяет определить влияние каждого из результирующих факторов от действия изменяемых факторов при исключении влияния остальных изменяемых факторов. Результаты исследования (табл. 18 ... 21) представлены в графическом виде на рис. 7...10. Переход от кодовых уровней изменяемых факторов (1, 2,3, 4 и 5) к натуральным значениям этих факторов (таблица. 16), производится по формулам: VM=0,5(X1+1); hB=0,5(3x2+7); n=50(x3+5); nc=5(x4-5). Рассмотрим зависимости на рис, 7, полученные методом уравнивания по одинаковым уровням факторов, что позволяет последовательно выделить действие каждого из факторов, исключив влияние остальных. Уровни факторов -Х1 ; -0-Х2 ; -й-ХЗ ; -Х-Х4 . В зависимости от скорости движения Хі потери корнеплодов снижаются до уровня фактора 3 (2,0 м/с), а затем снова увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением скорости усиливается горизонтальное давление на корнеплоды со стороны копача, поэтому некоторые корнеплоды наклоняются вперед и выходят из зоны действия конических наконечников. С увеличением глубины хода наконечников Хг потери корнеплодов уменьшаются, что согласуется и с данными других исследователей, так как при увеличении глубины хода копача корнеплоды более надежно захватываются наконечниками. Общая тенденция при увеличении частоты вращения наконечников хз - снижение потерь, Снижение потерь при увеличении частоты осевых колебаний наконечников х4 прослеживается еще более четко.
При выводе общего уравнения зависимости результирующего фактора от изменяемых факторов в первую очередь рекомендуется рассматривать линейную модель, и только после установления ее недостаточной точности — другие модели. Так как под воздействием осевой вибрации конических наконечников влияние скорости движения рабочего органа и глубины его хода в сравнении с данными других исследователей практически не изменилось (могут измениться лишь рациональные пределы скорости движения), рассмотрим влияние частоты вращения наконечников х3 и частоты их осевых колебаний Х4 . Из этих факторов после усреднения более четко, на наш взгляд, прослеживается линейный характер влияния Х4 . Методом наименьших квадратов по данным таблицы 18 получаем:
Общая ошибка аппроксимации уравнения (32) равна 6,7 %. В соответствии с уравнением (32) с увеличением глубины хода нового копача х2, частоты вращения конических наконечников х3 и частоты их осевых колебаний Х4 потери корнеплодов уменьшаются вследствие лучшего их захвата наконечниками, лучшего нарушения связи хвостовой части корнеплодов с нижним слоем почвы и более глубокого разрыхления почвы за счет вибрации наконечников. Исследование на минимум дает значение Х\ = 2,2 в индексах уровней факторов или 1,6 м/с в единицах скорости движения. В пределах ± 5 % от У і диапазон рациональных значений скорости движения составляет от 1,4 до 2,0 м/с, причем с увеличением уровней остальных факторов качество работы копача повышается. Аналогично выведены зависимости от уровней изменяемых факторов потерь массы корнеплодов с оборванными их хвостовыми частями, количе 93 ства сильно поврежденных корнеплодов и примеси почвы в убранном ворохе корнеплодов. Уравнение потерь массы корнеплодов получено в виде: У2=0,6019х;1 7253 Є 7546хі-0)055х2-0,026х3-0,007х4. (зз) Анализ уравнения (33) показал, что повышение уровней факторов Х2, хз и Х4 сокращает потери сахароносной массы с обломанными хвостовыми частями корнеплодов, а оптимум скорости движения приходится на X] = 2,3 , что в единицах скорости движения составляет 1,65 м/с. Рациональный диапазон скорости (при ± 5 % от У2) составляет от 1,45 до 2,1 м/с, что с учетом влияния остальных изменяемых факторов требует выбора верхнего значения диапазона.
