Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса выкопки лука-репки. цель и задачи исследования 9
1.1 Ручная выкопка лука 10
1.2 Средства частичной механизации выкопки лук 10
1.3 Средства полной механизации выкопки лука 12
1.4 Выводы 35
1.5 Цель и задачи исследования 36
2 Физико-механические свойства лука-репки сорта «Халцедон» 37
2.1 Условия проведения опытов и характеристика изучаемого сорта 38
2.2 Методика проведения исследования и обработки результатов . 39
2.3 Ширина грядки посева лука 40
2.4 Размерная характеристика лука-репки 41
2.5 Массовая характеристика лука-репки 42
2.6 Фрикционные свойства лука-репки 43
2.7 Глубина залегания луковиц 45
2.8 Выводы 46
3 Теоретическое исследование технологического процесса работы выкапывающего устройства активного типа 48
3.1 Обоснование направления теоретического процесса выкапывания лука-репки выкапывающим устройством 50
3.2 Определение расстояния между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером 51
3.3 Уравнения траекторий движения произвольных точек поверхности четырехгранного вала 52
3.4 Скорость движения произвольных точек поверхности четырехгранного вала 55
3.5 Определение частоты вращения четырехгранного вала выкапывающего устройства 57
3.6 Обоснование конструктивных и режимных параметров битера 58
3.7 Выводы 61
4 Исследования выкапывающего устройства копа теля лука-репки в лабораторных условиях 63
4.1 Исследование оптимальных конструктивно-режимных параметров выкапывающего устройства 63
4.1.1 Методика проведения и обработка результатов 63
4.1.2 Результаты лабораторного исследования по определению параметров выкапывающего устройства 67
4.1.3 Результаты исследования по обоснованию оптимальных параметров выкапывающего устройства 81
4.2 Выводы 86
5 Исследования экспериментального копателя лука-репки с выкапывающим устройством активного типа в лабораторно-полевых и производственных условиях 87
5.1 Условия и методика проведения исследований 87
5.2 Результаты лабораторно-полевых исследований выкапывающего устройства 91
5.3 Результаты производственных исследований копателя лука-репки 97
5.4 Выводы 99
6 Технико-экономическая эффективность использования экспериментального копателя лука-репки с выкапывающим устройством активного типа 100
6.1 Выводы 109
Общие выводы 110
Литература 112
Приложение 122
- Средства частичной механизации выкопки лук
- Методика проведения исследования и обработки результатов
- Определение расстояния между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером
- Результаты лабораторно-полевых исследований выкапывающего устройства
Введение к работе
Актуальность работы. Перед сельским хозяйством нашей страны стоят задачи более полного удовлетворения возрастающих потребностей населения высококачественными продуктами питания.
В соответствии с планами реализации приоритетного национального проекта «Развитие агропромышленного комплекса» одним из основных направлений является развитие отрасли овощеводства, которая должна обеспечивать получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур с использованием современных технологий и комплексной механизации всех технологических операций.
Создание машин для замены ручного труда на уборке лука, обеспечивающих получение качественной продукции при минимальных трудозатратах, сдерживается отставанием в разработке рабочих органов для уборки мелкоразмерных корнеклубнеплодов в широком диапазоне почвенно-климатических условий, удовлетворяющих агротехническим требованиям. Серийные и опытные образцы лукоуборочных машин при уборке лука-репки не отвечают агротехническим требованиям, так как в процессе выкапывания пассивными выкапывающими рабочими органами на сепарирующие устройства вместе с луковицами поступает большое количество почвенных примесей, что снижает качественные показатели уложенного в валки лука.
Поэтому работа, посвященная повышению качества выкопки лука-репки за счет применения копателя с выкапывающим устройством активного типа, является актуальной и практически значимой для сельскохозяйственного производства.
Работа проводилась в соответствии с Программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006…2010 гг., согласно задания 09.01 научных программ «Создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп овощной продукции» (разработка комплекса машин для производства лука в условиях Средневолжского региона), а также темой № 25 «Разработка рабочих органов машин для производства зерновых, корнеплодов и овощных культур» НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА».
Цель исследований. Разработка выкапывающего устройства копателя лука-репки с обоснованием конструктивных и режимных параметров, позволяющего повысить производительность уборочной машины и качество продукции.
Объект исследования. Технологический процесс выкопки лука-репки выкапывающим устройством активного типа.
Предмет исследования. Конструктивные и режимные параметры выкапывающего устройства копателя лука-репки.
Методика исследований. Теоретические исследования выкапывающего устройства выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик в соответствии с действующими ОСТами, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись на ПЭВМ с использованием стандартных программ MathCAD, Microsoft Excel и Statistica 6.0.
Научная новизна. Конструкция выкапывающего устройства активного типа для выкопки лука-репки; теоретические исследования технологического процесса работы выкапывающего устройства активного типа; оптимальные значения конструктивных и режимных параметров выкапывающего устройства копателя лука-репки.
Получено положительное решение о выдаче патента РФ на полезную модель по заявке №2010139483 (056432).
Практическая значимость работы. Результаты исследований использовались ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк Пензенской области) при изготовлении экспериментального копателя лука-репки с выкапывающим устройством активного типа. Применение экспериментального копателя на выкопке лука-репки позволило увеличить производительность выкопки на 11 % и полноту выкопки лука-репки на 1,8 %, снизить содержание почвенных примесей в уложенном валке до 4,3 % и повреждение луковиц на 0,2 % по сравнению с базовым копателем лука фирмы «SAMON».
Достоверность результатов работы подтверждается лабораторными исследованиями выкапывающего устройства и сравнительными полевыми исследованиями копателя с выкапывающим устройством активного типа на выкопке лука-репки, а также сходимостью результатов лабораторных и полевых исследований.
Реализация результатов исследований. Экспериментальный копатель лука-репки с выкапывающим устройством активного типа испытывался на полях ИП «Зайцев Константин Васильевич» Саратовской области.
Апробация. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2009-2010 гг.), ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2010 гг.), международной научно-практической конференции (ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова», 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе две статьи опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК». Общий объем публикаций составляет 1,7 п.л., из них автору принадлежит 0,6 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 109 наименований и приложения. Диссертация изложена на 121 с., содержит 15 табл. и 41 рис.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Обоснование частоты вращения четырехгранного вала выкапывающего устройства и расстояния между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером.
-
Конструкция выкапывающего устройства активного типа для выкопки лука-репки.
-
Оптимальные значения конструктивных и режимных параметров (глубина подкапывания, расстояние между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером и частота вращения четырехгранного вала) копателя лука-репки с выкапывающим устройством активного типа.
Средства частичной механизации выкопки лук
До настоящего времени на выполнении этих операций наиболее распространенным, особенно при работе на тяжелых почвах, является применение орудий и приспособлений, позволяющих частично облегчить процесс выкопки. К таким орудиям относятся лукоподъемник ЛПШ-1,2 и подкапывающая скоба СНУ-ЗС [9, 19]. Они выполняются в виде лап и скоб, рыхлящих грядки и нарушающих связь луковиц с почвой. Применение ЛПШ-1,2 и СНУ-ЗС целесообразно лишь в том случае, когда ручное теребление невозможно без предварительного рыхления почвы из-за большой глубины залегания луковиц, большой твердости почвы и т.п. Производительность труда на выборке луковиц при этом повышается на 18...23 %, а количество поврежденных луковиц не превышает 1% [9, 19].
Наиболее высок уровень механизации уборки лука в Венгрии, Великобритании, Нидерландах, Германии, США, Японии и Австралии. Обобщение характерных признаков и технологических схем машин, применяемых в этих странах, позволяет классифицировать их по технологическому процессу на два типа: подкапывающий и теребильный. Наибольшее распространение получили машины подкапывающего типа - от простейших копателей до сложных самоходных машин.
Лукоуборочные машины подкапывающего типа по компоновке основного рабочего органа можно разделить на две группы (рисунок 1.1): - машины с пассивными подкапывающими органами (скоба, лемех); - машины с активными подкапывающими органами (колеблющийся лемех, диски, зубчатый нож, штанга).
Пассивные подкапывающие органы имеют подъемник валкообразователь "Glazer", копатели Е-684, Е-6822, Е-649, Е-675 (ГДР), ко-патели-валкоукладчики 802Н, 803Н (Италия) и другие.
Подъемник-валкообразователь "Glazer " выполняет операции подкапывания и формирования валков без сепарации почвы. Подкапывающее устройство включает в себя делитель и два ножа расположенных в виде культива-торных лап, к задней кромке которых приварены прутки для отвода выкопанных луковиц в сторону. Луковицы с двух соседних рядков укладываются в один валок. Применение такой машины снижает затраты труда менее, чем на30...40%[9].
Машины, выполняющие выкопку лука и сепарацию почвы, имеют, как правило, активный подкапывающий рабочий орган в виде дискового копача с приводом от вала отбора мощности, а чаще от ходового колеса. Роль сепаратора почвы выполняет сам выкапывающий диск.
Подъемник американской фирмы «Brunner» обеспечивает выкопку луковиц из почвы сферическим диском, установленным под небольшим углом к горизонту. Подкапывающий диск, опорное колесо и отводной щиток монтируются на подвижной рамке, шарнирно соединенной с осью ходового колеса. Шарнирное подпружиненное крепление обеспечивает независимое копирование поля каждым подъемником по всей ширине захвата машины и предотвращает поломки рабочих органов при работе на каменистых почвах [9].
На базе такового подъемника фирмой «Remolds» (Англия), разработана шестирядная лукоуборочная машина. Она навешивается впереди трактора и состоит из двух самостоятельных секций, включающих по три дисковых подъемника. В секции два диска вращаются по направлению часовой стрелки, третий - против, благодаря чему машина, выкапывая одновременно шесть рядков лука, укладывает его в два валка.
Дисковый подъемник фирмы «Reinolds» удовлетворительно работает при глубине подкапывания не превышающей 2-3 см. С увеличением глубины до 6-8 см в валок поступает более 70 % почвы, при этом потери составляют 6,8...7,3 %, а количество поврежденных луковиц колеблется от 5,9 до 11,1 %[9].
К группе копателей-валкоукладчиков относятся специальные луко-уборочные машины, выполняющие ряд технологических процессов: выкопку лука, сепарацию почвы и укладку луковиц в валок. К этой группе относится копатель фирмы «Farm-forze Landmaschinen» (Германия) (рисунок 1.2), который представляет собой навесной комплекс, состоящий из выкапывающего и сепарирующего агрегатов.
Методика проведения исследования и обработки результатов
Исследования физико-механических свойств лука-репки проводились по методике, разработанной на основе требований ГОСТов [65...68], а также на основе методики ВИСХОМа, ВНИИССОКа, применяемой для изучения физико-механических свойств растений и почв [60] и частной методики, разработанной на основе методики испытания машин для уборки овощных и бахчевых культур. Значения исследуемых величин различны и могут быть выражены вариационным рядом. Для оценки вариационного ряда пользуются средними величинами массовых измерений. В данных исследованиях использовали общепринятые в вариационной статистике понятия и элементы, характеризующие вариационный ряд: средняя арифметическая X, средне-квадратическое отклонение а, коэффициент вариации v, средняя ошибка Sx и относительная ошибка выборочной средней Sx %. Каждый из названных элементов определялся по известным формулам вариационной статистики [69...71]. Это позволило определить точность экспериментальных данных и установить допустимые пределы, в которых они достаточно надежны.
Оборудование и приборы, для получения числовых данных выбирались в расчете на массовое измерение с учетом допускаемых погрешностей измерений, приведены в приложении Б. Ширину грядки посева лука-репки определяли путем измерения расстояния между центрами крайних растений по длине рядка в точках каждой учетной делянки, равномерно расположенных друг от друга. Погрешность измерений не более ±1,0 см.
Значения ширины полосы посева лука-репки находилось в пределах от 86 до 93 см (рисунок 2.1) при среднем значении X =89,45 см (среднеквадра-тическое отклонение 8=1,64 см, коэффициент вариации v=l,84 %). Поэтому, ширина захвата машины должна быть не менее 93 см. Размерная характеристика лука-репки определялась с помощью штангенциркуля ШЦ-11-250-0,05 с точностью ± 0,1мм, при этом измеряли диаметр луковицы - с1л, высоту луковицы - Ьл, В результате замеров были получены вариационные ряды. Математическая обработка этих рядов позволила получить вариационные кривые распределения исследуемых параметров.
Значение диаметра луковицы находилось в пределах 42,2...85,1 мм (рисунок 2.2) при среднем значении Х=65,4 мм (среднеквадратическое отклонение 5=9,89 мм, коэффициент вариации v=22,4 %).
Значение длины луковицы находилось в пределах 78,2...40,1 мм (рисунок 2.3) при среднем значении JF=58,4 мм (среднеквадратическое отклонение 5=7,15 мм, коэффициент вариации v=21,56 %).
Индекс, характеризующий форму луковицы, определяли по формуле: где hj, — высота луковицы, мм; dj, - диаметр луковицы, мм.
Значение индекса С для лука-репки сорта «Халцедон» составило 0,84...0,98, при этом проявляется тенденция к уменьшению индекса, с увеличением диаметра луковиц.
Индивидуальная масса растений лука-репки определялась взвешиванием каждого растения средней пробы на весах ВЛА-200г-М с точностью до 0,1 г, которая составлялась из растений с 1 п.м. ленты. В данном случае бралось 100 таких проб.
Затем определяли массовый состав растений. Для этого у каждого растения обрезали луковицу и взвешивали с точностью до ±1 г. По разнице массы растений и луковицы устанавливали массу ботвы. Значение массовой характеристики лука в период уборки приведены в таблице 2.2.
Объемную массу лука-репки с ботвой определяют методом наполнения жесткой тары емкостью 0,25 м3 с последующим взвешиванием продукта с погрешностью не более ±0,5 кг. Повторность трехкратная. Полученные ре зультаты показывают, что объемная масса лука-репки сорта «Халцедон» на-ходится в пределах 321...400 кг/м , при средней величине 360 кг/м . Таблица 2.2 — Массовая характеристика лука в период уборки
Определение расстояния между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером
В качественную оценку работы рабочих органов для выкапывания лука входят производительность, степень повреждаемости луковицы и полнота выкапывания. Последние в предлагаемом выкапывающем устройстве во многом зависят от зазора между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером. Для упрощения примем, что во время работы выкапывающего рабочего органа луковица в виде шарообразной формы взаимодействует с двумя вращающимися цилиндрическими вальцами, а линия, соединяющая центры которых, находится под углом ot/ к горизонтали. Зазор между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером определим, исходя из условия взаимодействия вальцов с луковицей, перемещающейся по ним [74]. В этом случае (рисунок 3.2) луковица находится во впадине между вращающимися вальцами.
В зависимости от соотношения зазора Ъ между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером и их диаметрами d4M_ и D с диаметром луковицы dn, луковица будет отбрасываться или будет перемещаться дальше на приемный транспортер. Луковица будет перемещаться при угле наклона касательной СС в точке М2, меньшим или равным углу трения. Из рисунка 3.2 запишем условие, при котором луковица должна переместиться на приемный транспортер: где D — диаметр вала приемного транспортера, м; d4,e - диаметр наружной окружности четырехгранного вала, м; Pi — угол наклонной плоскости ВВ к горизонтали, град; Р2 — угол наклонной плоскости СС к горизонтали, град; Ъ — расстояние между наружной окружностью четырехгранного вала и приемным транспортером, м. Из выражения (3.1) определим зазор между наружной окружностью четырехгранного вала и приемным транспортером: Четырехгранный вал выкапывающего устройства совершает сложное движение: поступательное движение вместе с машиной со скоростью им и вращается вокруг своей оси со скоростью и=а ігчв (со; — угловая скорость четырехгранного вала, с"1; гчм — радиус наружной окружностью четырехгранно го вала, м) [78]. Чтобы установить характер работы выкапывающего устройства, рассмотрим технологический процесс работы четырехгранного вала на примере траектории движения точки А (рисунок 3.2), расположенной на грани четырехгранного вала. Отнесем четырехгранный вал к прямоугольной неподвижной системе координат Охи Оу с началом в точке О, расположенной так, что ось Ох находится на уровне подошвы почвы и направлена в сторону поступательного движения уборочной машины, а ось Оу с диагональю сечения и направлена вертикально вверх. Через некоторый момент времени машина переместится вперед на расстояние ОО] = им t. За этот же промежуток времени точка А, вращаясь равномерно с угловой скоростью 0)і, в относительном движении, перейдет в положение А}, повернувшись на угол со1 t. Тогда уравнение движения произвольной точки боковой грани четырехгранного вала будет иметь вид: где R,Le — радиус окружности, описываемый точкой, расположенной на конце диагонали сечения четырехгранного вала, м; RA — радиус окружности, описываемой произвольной точкой А, расположенной на грани четырехгранного вала, м; им — поступательная скорость движения машины, м/с; со і - угловая скорость вращения четырехгранного вала, с"1; а- угол, заключенный между радиусом R и радиусом Rx, град. где им — скорость поступательного перемещения четырехгранного вала, м/с; Я - показатель кинематического режима. Из рисунка 3.2 следует, что для четырехгранного вала Приняв во внимание выражение (3.5), выражения (3.3) запишутся в сле дующем виде: Уравнение движения точки, расположенной на конце диагонали четырехгранного вала (ос=0) запишется как
Задаваясь значениями t, можно построить траектории движения произвольной точки боковой грани четырехгранного вала и точки, расположенной на конце диагонали четырехгранного вала. Интенсивность воздействия четырехгранного вала на лукопочвенную массу обуславливается также разностью в скоростях движения различных точек поверхности четырехгранного вала. Определяя скорость рассматриваемой точки А (рисунок 3.2), будем иметь После дифференцирования уравнения (3.6) по времени, получим Так как угол а изменяется в пределах от 0 до 45 , то скорость отдельных точек четырехгранного вала будет иметь значения в пределах: при а=0 при а=45 Из уравнения (3.11) видно, что скорость произвольной точки, взятой на грани четырехгранного вала, зависит от скорости поступательного перемещения ичв., скорости ее вращательного движения со і и угла а. Выражения (3.12) и (3.13) показывают, что скорость разных точек, расположенных на одной грани четырехгранного вала, различна по своей величине. Причем наибольшую скорость имеют точки, для которых угол а равен нулю.
Результаты лабораторно-полевых исследований выкапывающего устройства
Результаты лабораторно-полевых исследований обрабатывались на основе корреляционно-регрессивного анализа (приложение К).
При исследовании оптимального значения частоты вращения квадратного вала все параметры и режимы исследуемого выкапывающего устройства, за исключением п, оставались постоянными. Глубину подкапывания установили 28 мм. Влажность почвы в слое 0...10 мм составила 18,1 %, а скорость экспериментальной установки ив.у=1,4 м/с.
По результатам обработки опытных данных построили графики зависимостей полноты выкапывания лука-репки 5 % и количества поврежденных луковиц е % от частоты вращения квадратного вала п выкапывающего устройства (рисунок 5.3).
Корреляционная связь между величиной полноты выкапывания лука-репки 8 и частоты вращения квадратного вала п выкапывающего устройства выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции R=0,99.
А корреляционная связь между количеством поврежденных луковиц е и частотой вращения квадратного вала п выкапывающего устройства выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции R=0,99. Из анализа полученных зависимостей можно сделать вывод, что частота вращения квадратного вала п выкапывающего устройства оказывает существенное влияние на качественные показатели работы выкапывающего устройства. Так при частоте вращения квадратного вала «=400 мин"1 полнота выкапывания лука 8 составляет 78,0 %. Это объясняется тем, что при движении агрегата квадратный вал не успевает перебрасывать лукопочвенную массу через себя, в результате чего происходит сгруживание лука перед ним, что приводит к потерям и повреждениям лука. С увеличением частоты вращения квадратного вала п до 730 мин"1 полнота выкапывания лука увеличивается до 98,6 % (по АТТ не менее 97 %), а количество поврежденных луковиц — 1,6 % (по АТТ не более 2 %) [55]. При определении оптимального значения расстояния между наружной кромкой квадратного вала и приемным транспортером Ь, все параметры выкапывающего устройства остались такими же. Частота вращения квадратного вала п приняли равным 730 мин"1. Корреляционная связь между величиной полноты выкапывания лука-репки 8 и расстоянием между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером Ъ выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции R=0,98 А корреляционная связь между количеством поврежденных луковиц г и расстоянием между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером а выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции 11=0,98 После обработки опытных данных построили графики зависимостей полноты выкапывания лука-репки 8 % и количества поврежденных луковиц е % от расстояния между наружной кромкой четырехгранного вала и приемным транспортером b (рисунок 5.4). Из анализа графиков (рисунок 5.4) можно сделать вывод, что качественные показатели работы выкапывающего устройства, отвечающие агротехническим требованиям, наблюдаются при 5=39...41 мм. Так, при Ь=40 мм полнота выкопки лука-репки составила 98,9 %, а количество поврежденных луковиц - 0,9 %. При определении оптимального значения глубины подкапывания h квадратным валом, все параметры выкапывающего устройства остались такими же. Частота вращения квадратного вала п приняли равным 730 мин"1, расстояния между наружной кромкой квадратного вала и приемным транспортером 6=40 мм. Корреляционная связь между величиной полноты выкапывания лука-репки 5 и глубиной подкапывания h выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции R=0,99. А корреляционная связь между количеством поврежденных луковиц е и глубиной подкапывания h выражается уравнением параболической функции: при этом индекс корреляции R=0,99.
