Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Особенности технологических процессов в первичном семеноводстве картофеля 9
1.2. Требования, предъявляемые к картофелепосадочным машинам в селекции и первичном семеноводстве картофеля 13
1.3. Обзор средств механизации в первичном семеноводстве картофеля 15
1.4. Технологические схемы (способы) посадки картофеля .31
1.5. Классификация высаживающих аппаратов селекционных картофелепосадочных машин 37
Выводы 41
1.6. Цель и задачи исследований 41
ГЛАВА 2. Теоретические исследования технологического процесса работы полуавтоматической картофелесажалки 43
2.1. Факторы, влияющие на урожайность картофеля 43
2.2. Выбор объекта исследования 49
2.3. Обоснование параметров и режимов работы полуавтоматической картофелесажалки 51
2.3.1. Свободная укладка клубня в ячейку 53
2.3.2. Предельная частота вращения ячеистого барабана высаживающего аппарата 54
2.3.3. Выбор точки сбрасывания клубней барабаном высаживающего аппарата 57
2.3.3.1. Траектория движения ячейки барабана высаживающего аппарата 57
2.3.3.2. Абсолютная скорость движения точки «О» перегородки ячейки барабана 60
2.3.3.3. Траектория падения клубня в борозду 62
2.3.4. Изучение влияния размеров клубней на их сбрасывание высаживающим аппаратом 66
2.3.4.1. Определение влияния разности размеров клубней на их отклонение на уровне дна борозды 66
2.3.4.2. Определение влияния конструктивного параметра «А1», характеризующего точку сброса клубней высаживающим аппаратом, на равномерность сбрасывания клубней 70
2.4. Статистическое моделирование посадки клубней картофеля полуавтоматической картофелесажалкой 72
Выводы 82
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 84
3.1. Программа экспериментальных исследований 84
3.2. Методика экспериментальных исследований 86
3.2.1. Определение физико-механических свойств клубней картофеля 86
3.2.2. Изучение влияния формы перегородок ячеек на рассеивание клубней от оси симметрии высаживающего аппарата 90
3.2.3. Методика планирования многофакторного эксперимента 92
3.2.4. Исследование влияния факторов на перемещение клубня за время падения 98
3.2.5. Определение относительных частот для статистического моделирования 100
3.2.6. Методика проведения полевых опытов 101
3.2.6.1. Экспертиза конструкции исследуемой машины 102
3.2.6.2. Методика проведения агротехнической оценки 109
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований ... 113
4.1. Физико-механические свойства клубней картофеля 113
4.2. Исследование влияния формы перегородок 116
4.3. Результаты планирования эксперимента 118
4.4. Влияние факторов на перемещение клубней за время падения 126
4.5. Результаты статистического моделирования 134
4.6. Полевые опыты 137
4.6.1. Агротехническая оценка 137
4.6.2. Функциональные показатели качества работы машины 138
4.6.3. Оценка условий труда 140
Выводы 141
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность полуавтоматической картофелесажалки 143
5.1. Технические данные для расчёта 144
5.2. Расчёт технико-экономических показателей 144
Общие выводы 151
Литература 153
Приложения 163
- Классификация высаживающих аппаратов селекционных картофелепосадочных машин
- Изучение влияния размеров клубней на их сбрасывание высаживающим аппаратом
- Методика планирования многофакторного эксперимента
- Влияние факторов на перемещение клубней за время падения
Введение к работе
Картофель, который в России принято считать «вторым хлебом», относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур, обеспечивающих питание населения и продовольственную независимость страны. Значимость картофеля как продовольственно-технической культуры подтверждается и его стабильным спросом на рынке.
Несмотря на неблагоприятные экономические условия в аграрном секторе России, производство картофеля по сравнению с другими сельскохозяйственными культурами снизилось ненамного - с 38 млн. т в 1987 г. до 33,6 млн. т в 2000 г. В то же время урожайность картофеля, за тот же период в общественном секторе уменьшилась - с 123 до 96 ц/га, что значительно ниже урожайности картофеля в экономически развитых странах (350...400 ц/га, Голландия, США и другие) [106]. Это объясняется, прежде всего, снижением внесения в почву минеральных удобрений, ухудшением состояния и моральным старением машинно-тракторного парка, а также применением несертифицированного семенного материала [3].
В связи с этим Министерство сельского хозяйства РФ разрабатывает научно-техническую программу «Картофель и картофелепродукты», которая предусматривает разработку региональных технологий выращивания семенного и продовольственного картофеля и производство семенного и товарного картофеля без увеличения посадочных площадей с переходом на коэффициент размножения Кр=5, с одновременным производством специальных машин новых типов [78].
Именно качеству семенного материала картофелеводы уделяют особое внимание, так как экономические потери при посадке некачественных семенных клубней особенно высоки, и никакими агротехническими мероприятиями нельзя устранить их отрицательное влияние на урожайность.
Различают системы первичного и внутрихозяйственного семеноводства. В первой системе за 3-5 лет производится элитный картофель, во второй - осуществляется планомерный сортообмен и сортообновление в хозяйствах.
При сортообновлении замена одного сорта другим производится за 3-5 лет. При этом новый сорт должен превосходить старый по урожайности не менее чем на 10-15%. Хозяйству надо ежегодно приобретать элиту соответствующего сорта из расчёта 8-10 т на 100 га посадок для размножения её на семенном участке. В целом, картофелеводам России, возделывающим картофель на площади в три с лишним миллионов гектаров, необходимо около 300 тысяч тонн элиты, из которой получают семенные клубни второй и третьей репродукции. Поскольку при посадке клубнями 5-й репродукции урожайность падает на 40% по сравнению с элитными семенами, сортообновление в хозяйствах следует заканчивать на 1П-1У репродукциях [96], [88].
Непременным условием получения высоких урожаев картофеля, наряду с подбором сортов, является его посадка пророщенными клубнями [23]. Для этого необходима специальная посадочная техника.
Исследованием и разработкой технологии и средств механизации для посадки пророщенного картофеля занимались Дзинтерс В.О., Большаков Н.Ф., Головицын С.К., [6], [22], [35], [72] и другие, а в области механизированной посадки клонов следует отметить работы Зернова В.Н., Кузьмина Б.О., Воронова В.К., Кистанова Е.И, Засыпкина Г.П. и других.
Однако до настоящего времени, не освоено промышленное производство картофелесажалок, совмещающих технологии посадки клонов и пророщенных клубней картофеля. В связи с этим, цель данной работы - разработка и обоснование конструктивно-технологических параметров высаживающего аппарата полуавтоматической картофелесажалки для посадки пророщенных клубней и клонов картофеля, имеет важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнялась на основе тематического плана, утверждённого Учёным Советом Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии в 1997 г., по научно-исследовательской теме: «Разработка технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области».
На защиту выносятся следующие положения:
конструктивно-технологическая схема полуавтоматической картофелесажалки с барабанным высаживающим аппаратом, ячейки которого выполнены «V»- образными перегородками;
теоретические исследования по обоснованию основных конструктивно- режимных параметров высаживающего аппарата барабанно-ячеистого типа;
статистическая модель машинного процесса посадки клубней картофеля, определяющая равномерность распределения клубней в борозде на стадии проектирования;
результаты лабораторных исследований по изучению влияния конструктивно-режимных параметров высаживающего аппарата на процесс распределения клубней на уровне дна борозды;
результаты производственных испытаний экспериментальной полуавтоматической картофелесажалки и полученные показатели сравнительной экономической эффективности.
Научная новизна. Получена зависимость потенциальной урожайности картофеля от качества выполнения технологических операций с учётом агротехнических допусков. Усовершенствована конструктивно-технологическая схема картофелесажалки с высаживающим аппаратом барабанно-ячеистого типа. Разработана новая форма ячейки аппарата, образованная «У»-образными перегородками, острые кромки которых, направлены в сторону вращения высаживающего аппарата. Получено математическое описание рабочего процесса высаживающего аппарата, разработана статистическая модель машинного процесса посадки клубней. Выявлены закономерности для определения основных конструктивно-технологических параметров высаживающего аппарата и условия равномерного распределения клубней в борозде. На конструкцию устройства получено авторское свидетельство РФ на полезную модель №21495, 7 А 01 С 9/02.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Создана программа статистической модели посадки клубней картофеля полуавтоматической картофелесажалкой. Программа позволяет на стадии проектирования оценивать качество работы аппарата, прослеживая влияние размерно- массовой характеристики клубней картофеля и конструктивно-режимных параметров высаживающего аппарата на показатель - распределения клубней в борозде. Предложенная конструктивно-технологическая схема сажалки была реализована при создании экспериментального образца полуавтоматической картофелесажалки, который внедрён в производственно-технологический процесс племсовхоза «Линдовский» Борского района Нижегородской области.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА (1999, 2001, 2002 г.г.) и Чувашской ГСХА (2001 г).
Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 1 статья в центральной печати и 1 авторское свидетельство на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 160 страниц основного текста, 48 рисунков, 17 таблиц и 14 приложений. Список литературы включает 109 наименований, из них 5 на иностранном языке.
Классификация высаживающих аппаратов селекционных картофелепосадочных машин
Таким образом, высаживающие аппараты каждого типа имеют свои достоинства и недостатки, что отражено в разделе 1.З., а общим для них является следующее. Как показал обзор литературных данных, (это отражает и рис.1.15), у аппаратов селекционно-семеноводческих картофелепосадочных машин отсутствуют специальные рабочие органы, которые жёстко удерживали бы посадочный материал. Органами укладки клубней в почву могут быть клубнепрово- ды с акустическими датчиками рабочего цикла, вертикальные ячеистые диски, комбинации вертикальных и горизонтальных ячеистых дисков, горизонтальные ячеистые диски с клубнепроводами [104]. Также под рабочим органом здесь можно понимать то пространство, куда подаются клубни. Это могут быть различной формы ложечки, чашечки, ячейки, пространства между соседними перегородками, лопастями или скребками. То есть клубень ведёт себя свободно, и повреждения, рассматриваемые с этой точки зрения - практически исключены.
Но как раз свободная ориентация клубня, во-первых, не способствует синхронному сбросу клубня, через равные промежутки; а во-вторых, это приводит к отклонению клубней в поперечной плоскости от оси симметрии рядка.
Подача клубней в высаживающие аппараты подразумевает ручное вкладывание по одному клубню, непосредственно на посадке или до посадки (в специальные кассеты). Такая организация технологического процесса позволяет исключить пропуски, двойки, что несомненно является преимуществом таких машин, но это же у полуавтоматических машин ведёт к очень малой производительности.
Те высаживающие аппараты, которые находятся слишком высоко над сошником (рис. 1.15.f) приводят к нарушению агротехнических требований и требуют наличие клубнепроводов (рис. 1.15. h, j). Последние изменяют траекторию падения клубней.
Большое внимание уделяется удобному размещению рабочих мест сажальщиков. Лучшее размещение, когда обслуживающий персонал располагается за аппаратом по ходу движения агрегата. Боковое размещение - не очень удобно (рис.1.15. g, h, i). У отмечаемых аппаратов и аппаратов (рис.1.15. b, i) отсутствуют направители, предотвращающие клубни от преждевременного сбрасывания и выпадения.
Сравнительный анализ данных разделов 1.3 и 1.5 отмечает аппараты кассетного типа, выгодно отличающиеся от всех остальных. Но пока они не получили широкого применения.
Также можно отметить, что не все селекционно-семеноводческие картофелепосадочные машины имеют устройства для внесения удобрений.
Выводы:
в настоящее время в первичном семеноводстве применяются различные типы посадочных машин кустарного изготовления. Отечественные селекционеры, в основном использовали полуавтоматическую картофелесажалку СН-4Б-К, разработанную и выпускавшуюся НИИКХ. Основными недостатками подобных сажалок являются: высокое расположение аппарата над бороздой, сравнительная сложность конструкции, что приводит к нарушению коэффициента равномерности (так как опрокидывающиеся днища ячеек создают дополнительное движение клубню и могут несвоевременно открываться, нарушая шаг посадки).
наиболее перспективными из полуавтоматических сажалок, на наш взгляд, являются сажалки с ячеисто-барабанными высаживающими аппаратами с горизонтальной осью вращения. Простота конструкции, небольшая материалоёмкость изготовления, возможность снижения высоты падения, из-за вертикального расположения позволяет выполнять посадку таким аппаратом качественно, в соответствии с агротехническими требованиями.
Изучение влияния размеров клубней на их сбрасывание высаживающим аппаратом
Второе условие свободного размещения клубня в ячейке вращающегося барабана обеспечивается тогда, когда скорость 11к относительного движения клубня больше окружной скорости Уд барабана высаживающего аппарата, то есть (2.17)
Схема для определения пре Прохождением зернового материала сквозь отверстия решета занимался академик В.П. Горячкин. По аналогии с его расчётами, проведём расчёт прохождения клубня в ячейку барабана. Схема для определения предельной частоты вращения ячеистого барабана высаживающего аппарата приведена на рисунке 2.4.
Ввиду малой толщины перегород- дельной частоты вращения ячеистого ки ячейки по сравнению с её длиной, в расчете толщина перегородки не учитывается.
Рассмотрим условие прохода клубня радиусом г в ячейку барабана радиусом Я. Пусть в начальный момент клубень, занимая положение Мо, находясь на кромке перегородки на вертикальном диаметре барабана, соскальзывает с кромки перегородки и движется как тело, брошенное горизонтально с начальной скоростью ик. Движение тела, брошенного горизонтально, представляет собой комбинацию двух взаимно перпендикулярных друг другу движений: горизонтального (равномерного) движения с постоянной скоростью Цк и вертикального (свободного падения), равномерно ускоренного движения с ускорением свободного падения барабана
Считаем, что клубень пройдёт в ячейку, если к моменту его встречи с противоположной перегородкой центр тяжести клубня М[ расположится на линии касательной к перегородке в точке А. В то же время точка М] является точкой пересечения параболы — траектории полёта клубня и касательной АМЬ точка А которой находится на радиусе Я барабана. При численных значениях: 11=0,27 м, Ъ= 12, г=0,06 м, =9,81 м/с получаем п 25,3 мин" .
Таким образом, частота вращения барабана высаживающего аппарата полуавтоматической картофелесажалки с ручной закладкой клубней, исходя из условия свободного вхождения клубня в ячейку вращающегося барабана, не должна превышать 25 оборотов в минуту.
Наивыгоднейшей точкой сбрасывания клубней при работе картофелесажалки является точка, обеспечивающая наименьшее смещение клубней в борозде относительно друг друга, без учёта раскатывания их в борозде. Это обеспечивает высокую равномерность раскладки клубней, удовлетворяющую агротехническим требованиям.
Различные исследователи [24], [84], [89] отмечают, что равномерность распределения клубней в первую очередь зависит от траектории движения захватывающего органа высаживающего аппарата и траектории свободного падения клубня. В свою очередь эти два параметра зависят от угловой скорости со вращения барабана, поступательной скорости Ум машины, направления сбрасывания клубня относительно направления движения агрегата, размера клубня 2т и высоты Ь свободного падения клубня.
Методика планирования многофакторного эксперимента
На критерий 81 непосредственно влияет размер клубня ( 1). Поэтому необходимо знать по какому своему размеру (длине или ширине или толщине), в указанных точках пь п2, п3,..., пь 111+1 произошла фиксация клубня системой конечного взаимодействия - почвой дна борозды.
Формирование конечного потока клубней производилось при решении вероятностной задачи методом статистического моделирования, используя при этом таблицы случайных чисел. Применение таблиц случайных чисел позволило получить реализацию результатов серии опытов, не производя в действительности самих опытов [103]. Эти реализации можно использовать в дальнейших расчётах.
При определении координат конечных точек, необходимо экспериментально установить распределение относительных частот, с которыми произошла фиксация клубня с почвой (т.е. по длине -Ра, по ширине - Рь, по толщине - Рс). Для решения данной задачи, проводился эксперимент, с использованием стационарной лабораторной установки, описание которой приводится в третьей главе. Использование эксперимента и непосредственное применение метода Монте-Карло [12] позволяет установить статистические вероятности (Ра; Рь; Рс).
Известно, что случайные числа могут быть использованы в качестве исходного материала для получения любых вероятностных объектов. Поэтому можно моделировать с помощью случайных равномерно распределённых чисел случайные события, наступающие с заданной вероятностью (реализация жребия). Если случайная величина 4 принимает возможные значения гь г2, ... ъпс вероятностями рь р2, ... рп, очевидно, что значение будет принято случайной величиной 4 в том случае, когда выполняется неравенство:
Х1 рь (2.66);
наступает событие, состоящее в том, что \ = а значение - когда
Р1 Х1 р1+р2 (2.67);
то есть наступает событие, состоящее в том, что 4 22;
и значение - когда
р1 +р2 Х1 рх +р2+р3 (2.68);
и наступает событие, состоящее в том, что = г2 и так далее. [19].
Другими словами, случайные числа с равномерным распределением в интервале (0;1) сравнивают с вероятностью р , то есть устанавливают принадлежность данного числа отрезку [0;р]. Если неравенство выполняется, считаем, что
= если нет — сравниваем далее, до тех пор, пока = 2п и одно из неравенств (2.66; 2.67; 2.68) окажется выполненным.
По аналогии с вышесказанным, смоделируем наступление случайных величин ь с заданными вероятностями Ра; Рь; Рс.
Моделирование фиксации клубня в почве дна борозды производится непосредственно сравнением равномерно распределённой от 0 до 1 случайной величины X, с полученными вероятностями фиксации клубня Ра, Рь, и Рс. Причём, если ьтая реализация случайной величины X; Рс, то принимается, что в точке 1 клубень занимает своё положение вдоль борозды толщиной; если Рс X; Рь+ Рс - шириной, а если Рь+ Рс Х{ Рь+ Рс+ Ра -то длиной. Таким образом, выполняя условия:
Х1 РС= толщиной Рс Х1 РС + Рь= шириной
(2.69)
Pc+Pb X, РС+Рь+Ра длиной и используя таблицу равномерно распределённых случайных чисел X; [103, табл.9.1], окончательно получим теоретическое распределение клубней по их размерам.
Влияние факторов на перемещение клубней за время падения
Оценка конструкции сажалки с указанием регулировок: В конструкции сажалки предусмотрены следующие виды регулировок:
шаг посадки регулируется при закладке клубней в ячейки высаживающего аппарата. При закладке в каждую ячейки шаг посадки составит 25-27 см, при закладке через одну ячейку, шаг посадки составит 52-54 см, при закладке клубней с пропуском двух ячеек -79-81 см.
на сажалке применены опорные культиваторные колёса, у которых кронштейн крепления к брусу культиватора изготовлен в виде квадратной штанги, позволяющей регулировать положение колёс по высоте, параллелограммный механизм копирующих секций позволяет регулировать положение грядиля и соответственно углы наклона закреплённых на нём рабочих органов, изменением длины верхнего звена, переставляя рычаг по сектору, осуществляется регулирование сошника на заданную глубину посадки. Также эту регулировку можно выполнить, изменяя положение стойки сошника по высоте, в центральном держателе грядиля.
нажимная штанга крепится верхним концом к кронштейну, под сиденьем, шарнирно. Изменяя силу сжатия пружины (усилие давления нажимных штанг) посредством перестановки упорной шайбы, регулируется высота гребня.
форма и величина гребня может быть изменена за счёт поворота косынок полуосей сферических дисков (регулировка глубины заделки), технологическая скорость агрегата регулируется изменением рабочей скорости трактора. Возможны два варианта: скорость посадочного агрегата 0,56 км/ч и 0,74 км/ч, что соответственно составляет частоту закладки клубней в высаживающие аппараты 37,3 шт/мин и 49,3 пгг/мин.
изменяя усилие сжатия пружины натяжного ролика (переставляя по отверстиям сектора) регулируется натяжение приводной цепи вала высаживающих аппаратов.
В конструкции сажалки можно отметить следующее: выбор междурядья 0,9 м оценивается положительно и объясняется тем, что гребневая широкорядная технология наиболее перспективная для большинства регионов РФ. В ней наиболее полно увязаны биологические особенности картофельного растения и соблюдение агротехнических требований [64], [102].
конструкция сажалки, выполненная на базе культиватора, позволяет проводить кроме посадки операции по уходу (нарезка гребней, междурядная обработка и первое подокучивание - наращивание гребней), предварительно сняв цепь привода на вал высаживающих аппаратов, копирующие колёса и сошники - для обработки и наращивания гребней, применение копирующих культиваторных секций позволяет сохранять на заданном уровне глубину посадки.
откидной столик обеспечивает лучший подход к рабочим органам сажалки при техническом обслуживании и осуществлении регулировок, хороший обзор высаживающего аппарата и небольшая частота вращения аппарата позволяет вкладывать клубни в ячейки высаживающего аппарата без пропусков.
стоит отметить небольшую металлоёмкость при изготовлении сажалки, привод от опорного колеса при влажной почве будет способствовать нарушению установленного шага посадки, по причине проскальзывания колёс, невысокая производительность.
не продумано хранение пустых пакетов после высадки клона на сажалке; угол нажимной штанги бороздозакрывающих органов не способствует необходимому усилию давления, так как составляет почти развёрнутый угол. Оценка унификации машины: При изготовлении экспериментальной сажалки использовались детали от различных картофелепосадочных машин: четыре диска вычерпывающих аппаратов со ступицами, четыре подшипника скольжения, два вала вычерпывающих аппаратов, две трубы - кронштейна от опорных колёс, звёздочка с числом зубьев 14 и четыре секции бороздозакры- вающих органов. От дисковой бороны заимствованы восемь сферических дисков диаметром 0 450 мм. Базой для создания полуавтоматической картофелесажалки является культиватор КРН-2,8А, у которого были взяты брус, два опорных колеса, на одном из которых установлена приводная звёздочка с количеством зубьев 7; для привода вала высаживающих аппаратов - крючковая цепь с шагом 30 мм; четыре копирующих рабочие секции с шарнирной параллело- граммной подвеской и две стойки для поставки сажалки на хранение.
