Содержание к диссертации
Введение
1. Современные технологии возделывания картофеля и тенденция развития конструкций машин для уборки картофеля 15
1.1 Технологии возделывания картофеля 15
1.2 Способы уборки картофеля 17
1.3 Состояние развития конструкций картофелеуборочной техники 18
1.4 Анализ сепарирующих устройств картофелеуборочных машин 27
1.4.1 Классификация сепарирующих рабочих органов 27
1.4.2 Анализ способов отделения клубней от примесей почвы 30
1.4.3 Анализ рабочих органов просеивающего типа 35
1.5 Анализ интенсификаторов сепарации почвы 37
1.6 Анализ теоретических исследований по сепарации почвы 46
1.7 Выводы и задачи исследований 50
2 Теоретические исследования модернизированного элеватора 52
2.1 Предлагаемая конструкция картофелеуборочной машины 52
2.2 Обоснование необходимости интенсификации сепарации почвы на основном элеваторе картофелеуборочной машины 55
2.3 Исследование кинематических параметров модернизированного элеватора 59
2.4 Исследование движения картофельного вороха на модернизированном полотне элеватора 65
2.5 Выводы по второй главе 76
3 Лабораторные исследования модернизированного элеватора 78
3.1 Программа исследований 78
3.2 Характеристика объекта исследований 78
3.3 Измерительные приборы 80
3.4 Исследование твердости почвы 81
3.4.1 Методика исследования твердости почвы 81
3.4.2 Результаты исследований 83
3.5 Исследование липкости почвы 84
3.5.1 Методика исследований 84
3.5.2 Результаты исследований 86
3.6 Исследование размерно-весовых характеристик клубней 87
3.6.1 Методика исследований 8 7
3.6.2 Результаты исследований 89
3.7 Исследование прочности комков 91
3.7.1 Методика исследований 91
3.7.2 Результаты исследований 93
3.8 Исследование коэффициента трения качения и скольжения почвенно-картофельного вороха 93
3.8.1 Методика исследований 93
3.8.2 Результаты исследований 95
3.9 Исследование профиля картофельной грядки 96
3.10 Исследование эффективности воздействия на почвенно-клубненосный пласт 102
3.10.1 Методика исследований 102
3.10.2 Результаты исследований 103
3.11 Исследование сепарации почвы 104
3.11.1 Методика исследований 104
3.11.2 Результаты исследований 105
3.12 Исследование энергетических затрат 106
3.12.1 Методика исследований 106
3.12.2 Результаты исследований 109
3.13 Выводы по третьей главе 110
4 Полевые исследования экспериментального картофелекопателя с модернизированным элеватором 112
4.1 Программа полевых исследований 112
4.1.1 Программа планирования эксперимента 112
4.1.2 Программа полевых исследований 112
4.2 Методика полевых исследований 113
4.2.1 Методика планирования эксперимента 113
4.2.2 Методика проведения агротехнической оценки 117
4.3 Полевые исследования модернизированного картофелекопателя 120
4.3.1 Объект исследований 120
4.3.2 Лабораторно-полевые исследования сепарации почвенно-картофельного вороха 125
4.3.2.1 Исследование сепарации почвенно-картофельного вороха 125
4.3.2.2 Исследование повреждаемости картофеля 130
4.3.2.3 Зависимость между сепарацией почвенно-картофельной массы и повреждениями картофеля 136
4.3.2.4 Результаты полевых испытаний 138
4.4 Выводы по четвертой главе 142
5 Технико-экономическая эффективность 144
5.1 Исходные данные 144
5.2 Технико-экономические показатели 145
5.3 Эксплуатационные затраты 147
5.4 Показатели эффективности инвестиций 149
Общие выводы и предложения производству 152
Литература 155
Приложения 169
- Состояние развития конструкций картофелеуборочной техники
- Исследование кинематических параметров модернизированного элеватора
- Исследование профиля картофельной грядки
- Результаты полевых испытаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Картофель распространен повсеместно. По своей народнохозяйственной значимости он занимает второе место после зерна. С давних пор картофель известен, как ценнейший продукт питания человека и как одна из полевых культур, выращиваемых на технические и кормовые цели.
Существующие картофелеуборочные комбайны КПК-2-01, КПК-3 при уборке картофеля на тяжелых почвах, с пониженной или повышенной влажностью не справляется с задачей, а количество почвенных комков в бункере достигает 60 % и более. При уборке картофеля на таких почвах существующими картофелекопателями имеют место большие потери клубней, достигающие 30 %.
В связи с сокращением производства картофелеуборочной техники резко сократились площади под посадку картофеля. Значительный объем картофель в настоящее время возделывается в фермерских подсобных хозяйствах, и поэтому более остро встал вопрос совершенствования простейшей уборочной техники. Поэтому исследование сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин и создание более совершенных конструкций, существенно повышающих их сепарационную способность является актуальной народнохозяйственной задачей.
Исследования выполнены в ГНУ ВНИМС по планам НИ ОКР 2006-2008 гг. в соответствии программам Россельхозакадемии по проблеме «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства».
Цель работы - повышение эффективности уборки картофеля за счет создания колеблющегося элеватора с эксцентриковым интенсификатором сепарации почвы, повышающем его сепарационную способность и в конечном итоге улучшающим качественные и технико-эксплуатационные показатели картофелеуборочной машины.
Объект исследований. Объектом исследований является процесс сепарации почвы колеблющимся прутковым элеватором с эксцентриковым интенсификатором.
Предмет исследований. Предметом исследований являются закономерности взаимодействия клубненосного пласта с колеблющимся прутковым элеватором с эксцентриковыми звездочками.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели проведены теоретические и экспериментальные исследования, лабораторно-полевые испытания модернизированного 2-х рядного картофелеуборочного копателя. При выполнении теоретических исследований использованы методы математического анализа, элементы классической механики, при выполнении экспериментальной части исследования в лабораторно-полевых условиях применены методы планирования эксперимента.
Научная новизна работы:
разработан способ интенсификации сепарации почвы на прутковом элеваторе, заключающийся в приводе элеватора от эксцентриковых звездочек, которые встряхивают и распределяют клубненосный пласт тонким и равномерным слоем по ширине элеватора, встряхивают его и обеспечивают более интенсивную сепарацию почвы;
математическая модель взаимодействия эксцентрикового интенсификатора с клубненосным пластом при движении его по первому и второму элеватору;
аналитические выражения для определения основных параметров эксцентрикового интенсификатора;
оптимизация параметров эксцентрикового интенсификатора;
научная и техническая новизна подтверждена патентом на полезную модель №63636.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:
разработан колеблющийся элеватор картофелеуборочной машины на прорезиненных ремнях с эксцентриковым интенсификатором клубненосного пласта, обеспечивающий равномерное распределение клубненосной массы более тонким слоем по ширине элеватора;
обоснованы конструктивные и кинематические параметры эксцентрикового интенсификатора;
результаты исследований нашли практическое применение в изготовленном модернизированном образце картофелекопателе КТН-2У.
Модернизированный картофелекопатель КТН-2У прошел хозяйственные испытания в ООО «Авангард» Рязанского района, Рязанской области.
Результаты диссертационной работы нашли применение в сельскохозяйственных предприятиях Рязанской области, результаты исследований переданы в ОАО «Рязсельмаш» для внедрения в производство, материалы работы используются в ГНУ ВНИМС при разработке новых машин и учебном процессе при подготовке инженеров Рязанского ГАТУ имени П.А. Костычева.
Достоверность результатов исследований подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение менее 5%) и апробацией в производственных условиях. На защиту выносится:
- конструкция колеблющегося пруткового элеватора с эксцентриковым
интенсификатором сепарации почвы;
- математическая модель, описывающая процессы взаимодействия
клубненосной массы с эксцентриковым интенсификатором сепарации почвы;
- лабораторно-полевые исследования модернизированного копателя с
новым прутковым элеватором и экономическая эффективность его применения.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ГНУ ВНИИМС г. Рязань и Рязанского ГАТУ имени П.А. Костычева (2005-2007 г.г.).
Получен диплом за участие в IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2004 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 научных работах, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы.
Состояние развития конструкций картофелеуборочной техники
Выпуск тракторных элеваторных картофелекопателей в СССР был организован в начале 30-х годов.
В 1954 году было начато изготовление первых отечественных картофелеуборочных комбайнов КОК-2 и ККР-2. [95, 124]
Комбайн КОК-2, разработанный НИИКХ под руководством А.Ф. Чиркунова, включал в себя следующие основные рабочие органы: лемеха; крючковой прутковый элеватор; ботвоудаляющее устройство, состоящее из горки, валика и вентилятора; переборочный транспортер и бункер, из которого клубни собирались в корзины.
Комбайн ККР-2, созданный ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля (г. Рязань), в отличие от КОК-2 имел два дополнительных прутковых элеватора, металлический баллон, над основным элеватором, пневмобаллон над каскадным элеватором и измененное ботвоудаляющее устройство, состоящее из грохота с разряженными тростями и двух клубнеотрывающих валиков. Развитием конструкции ККР-2 был картофелеуборочный комбайн ККР-2Б.
Другим вариантом чисто элеваторного картофелеуборочного комбайна был комбайн КК-2, разработанный в ВИСХОМе под руководством А.С. Маэта в 1953-1955 г.г.
В те же годы ВИСХОМом совместно с ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля (г. Рязань) был разработан по схеме, близкой к схеме комбайна КК-2, опытный образец комбайна КВР-2.
Анализ результатов испытаний этих комбайнов показал, что наращивание длины элеваторов приводит к увеличению размеров и массы комбайнов, снижает их надежность, повышает повреждаемость клубней, существенно не улучшая сепарирующую способность.
На основании результатов исследований и испытаний ВИСХОМ в 1955 году начал работы по созданию комбайна, основными сепарирующими рабочими органами которого являлись грохоты с колебательным движением решет.
В схеме предусматривалась также осуществление процесса сепарации примесей на фрикционных рабочих органах - горках и на наклонном переборочном столе. Комбайн получил условную марку К-1.
В результате этих работ в 1959-1960 г.г. был создан картофелеуборочный комбайн КГП-2.
Одновременно с созданием комбайна грохотного типа объединенная конструкторская группа ВИСХОМа, ГСКБ (г. Рязань) и Тульского комбайнового завода начала в 1956 году разработку комбайна К-2 элеваторного типа. Затем схема этого комбайна была усовершенствована, и он получил марку К-3.
На основе комбайнов К-3 и КГП-2 в 1962-1965 г.г. ВИСХОМом совместно с ГСКБ (г. Рязань) разработаны унифицированные картофелеуборочные комбайны t ККУ-2 «Дружба» базовая модель элеваторного типа и модификация грохотного типа.
В 1975 году был выпущен комбайн ККУ-2 А - модернизированный вариант элеваторной модификации комбайна ККУ-2 (рис. 1.5). Он отличался от предыдущей модели активными (колеблющимися) лемехами, применением второго элеватора вместо грохота, пальчатой поверхностью горки, экраном для снижения повреждений клубней при выгрузке их в бункер. Взамен элеваторов на стальных цепях введены элеваторы на прорезиненных ремнях.
С 1975 г. ВИСХОМ совместно с ГСКБ (г. Рязань) работает над созданием самоходных четырехрядных картофелеуборочных комбайновКСК-4 и КСК-4-1 (рис. 1.6, 1.7). Испытания опытных образцов самоходных комбайнов показали, что по основным агротехническим показателям - полноте уборки, повреждениям и чистоте клубней в паре - они находятся на уровне комбайна ККУ-2А. производительность в час чистой работы в условиях, близких к условиям, предусмотренным агротехническими требованиями для Западной МИС, для комбайна КСК-4-1 0,83-0,89 га/ч, для комбайна КСК-4 0,71-0,83 га/ч, а для комбайна ККУ-2А 0,29-0,34 га/ч. Затраты труда на уборке КСК-4-1 5,41 чел ч, у комбайна КСК-4 16,67 чел ч, у комбайна ККУ-2А 41,18 чел ч.
По сравнению с комбайном ККУ-2А самоходные комбайны более экономичны по затратам мощности и топлива, удельная мощность на 1 м захвата у комбайна КСК-4 ниже на 29,2-32,2%, а у комбайна КСК-4-01 на 9,2-13,9%; расход топлива на 1 га у комбайна КСК-4-1 ниже на 12,6:, а у комбайна КСК-4 на 9,2%.
Коэффициент готовности у комбайна КСК-4-1 несколько выше, чем у комбайна КСК-4, вследствие упрощения конструкции и снижению массы.
В 1987 г. взамен 2-х рядного картофелеуборочного комбайна ККУ-2А ПО «Рязсельмаш» начал выпуск 3-х рядного картофелеуборочного комбайна КПК-3. Комбайн предназначен для уборки картофеля с 3-х рядков, посаженного с междурядьем 70 см на легких, средних и тяжелых почвах (Рис. 1.8).
Комбайн имеет ряд достоинств по сравнению с ККУ-2А, а именно:
- приемная часть выполнена в виде трех подкапывающих секций, включающих подрезные диски и лемех между ними. Это обеспечивает ограниченный объем подрезаемого клубненосного пласта, что облегчает работу сепарирующих рабочих органов;
- в конструкции элеваторов применены шнеки интенсификаторы, расположенные над элеваторным полотном. Это обеспечивает рыхление клубненосного пласта;
- наличие пальчиковых горок обеспечивает дополнительное отделение мелких примесей и растительных остатков;
- комбайн обслуживает один тракторист и один комбайнер.
В результате производственной проверки выявлены существенные недостатки:
- при работе на суглинистых почвах комбайн не обеспечивает хорошую сепарацию. В бункер поступает большое количество почвенных примесей и растительных остатков;
- при работе комбайн активными шнековыми рабочими органами дает большие повреждения клубней, достигающие 15-20%.
Исследование кинематических параметров модернизированного элеватора
Определим скорость и ускорение элеваторного полотна. Для этого рассмотрим схему элеватора с эксцентриковыми звездочками (рис. 2.7).
Во время работы вращение осуществляется около точки Oj. Переменный радиус-вектор изменяется от R-E до R+E.
Угловая скорость вращения ведущего вала постоянна и равняется со. Тогда скорость элеватора v3 определится как: v3=a)-rt, где г; - радиус-вектор ведущей звездочки. - элеваторное полотно; 2 - эксцентриковая звездочка; R - радиус звездочки; г; — переменный радиус-вектор; Е - эксцентриситет; 0 - угол между осью OiO и вектором.
Полученная скорость элеватора v3 будет переменной, так как радиус-вектор Г; переменный.
Найдем радиус-вектор rt. Уравнение окружности с радиусом R и эксцентриситетом Е запишется как. [39] R2 =Е2+ г2 -2Er, cos() (2.8)
Для расчетов угол поворота берется от 0 до 2п.
Используя пакет программ математического моделирования MathCAD 2001 и решая уравнения, определим переменный радиус-вектор Г;. г,. = -cos()+ (Е2 COS(0)2 + R2 -Б2)2 (2.9)
Исследуем движение полотна в продольном направлении. Переменная скорость элеватора будет
Построим графическое изображение скорости и ускорения в продольном направлении для основного элеватора для Е1 = 0,01 м, Е2 = 0,02 м, ЕЗ = 0,03 м, v3 = 2,1 м/с, R = 0,091 м (рис. 2.8).
Анализ кривых показывает, что:
- скорость изменяется по периодической кривой для эксцентриситета Е1 в пределах от 1,8 м/с до 2,2 м/с, для Е2 от 1,6 м/с до 2,5 м/с и для ЕЗ от 1,4 м/с до 2,8 м/с;
- ускорение изменяется по синусоиде, для эксцентриситета Е1 в пределах О О 0 0 о от -0,2 м/с до 0,2 м/с , для Е2 от -0,5 м/с до 0,5 м/с и для ЕЗ от -0,7 м/с до 0,7 м/с2.
При этом верхний конец звездочки опустится на величину S1, равной S = - .= + + cos(0)-(2cos(0)42-2f . (2.13)
При повороте звездочки на 180 верхний конец звездочки опустится на величину AD, равной AD или S" = R + E-R + E-2E. м/с
При дальнейшем повороте величина S будет изменять свои значения, поднимаясь вверх и при повороте на 2л; будет равен S=0. Таким образом величина перемещения полотна изменяется от 0 до 2Е и обратно до 0, т.е. полотно будет колебаться с амплитудой А=Е и частотой колебаний v=co.
Исследуем движение полотна в поперечном направлении.
Определим переменную скорость колебаний полотна в поперечной плоскости.
Максимальная скорость определится как vgmax = со Е. Определим ускорение полотна в поперечной плоскости ав. ae=co2S = a):
Максимальное ускорение будет автах = со Е
Ведущий вал с эксцентриковыми звездочками вращается с постоянной угловой скоростью (рис. 2.7). Угловую скорость определим из следующих соображений. На отечественных машина линейная скорость принимается равной v3=l,6...2,l м/с. Примем v3 = 2,1 м/с.
Тогда угловая скорость определится как ( ) = — гДе уэ = 2,1 м/с; R - радиус звездочки R = 0,091 м.
В положении А радиус-вектор г будет максимальным и равным Г,А = R+E.
При повороте звездочки на угол 6 радиус-вектор г; будет
Анализ движения модернизированного полотна в продольном направлении показывает, что:
- скорость изменяется по периодической кривой для эксцентриситета Е1 в пределах от 1,8 м/с до 2,2 м/с, для Е2 от 1,6 м/с до 2,5 м/с и для ЕЗ от 1,4 м/с до 2,8 м/с;
- ускорение изменяется по синусоиде, для эксцентриситета Е1 в пределах от -0,2 м/с2 до 0,2 м/с2, для Е2 от -0,5 м/с2 до 0,5 м/с2 и для ЕЗ от -0,7 м/с2 до 0,7 м/с2.
В поперечной плоскости что:
- перемещение плотна происходит по косинусоиде для эксцентриситета Е1 в пределах от -0.01 м до 0,01 м, для Е2 от -0.02 м до 0,02 м и для ЕЗ от -0.03 м до 0,03 м;
- скорость изменяется по косинусоиде, для эксцентриситета Е1 в пределах от -0.2 м/с до 0,2 м/с, для Е2 от -0.4 м/с до 0,4 м/с и для ЕЗ от -0.7 м/с до 0,7 м/с;
- ускорение изменяется по косинусоиде, для эксцентриситета Е1 в пределах от -5.5 м/с до 5.5 м/с , для Е2 от -11 м/с до 11 м/с и для ЕЗ от -16 м/с2 до 16 м/с2.
Исследование профиля картофельной грядки
С целью исследования расположения клубненосного пласта на элеваторе картофелеуборочной машины мы провели изучение профиля грядки до прохода и после подкопа и поступления ее на элеватор.
Для проверки выдвинутой нами гипотезы о том, что профиль грядки располагается по кривой, описуемои синусоидой, вида у = Asincp, где А - высота грядки и, что клубненосный пласт после прохода по лемеху приходит на начало элеватора располагается также по кривой, описуемои синусоидой уі = Aisincp, где А - высота уменьшенной грядки, т.е. Ai А.
Исследования проводились с10 по 25 августа. Сорт картофеля «Огонек», почва тяжелый суглинок.
Для проверки этого предположения нами был взят прибор для изучения профиля грядки (рис. 3.10, 3.11).
Прибор представляет собой рамку 2 с закрепленными на ней двадцатью восемью подвижными элементами с засечками 3 расположенными на расстоянии 50 мм друг от друга, которая устанавливается на грядки 1. Начало отсчета абсциссы ведется от середины междурядья, через каждые 50 мм. Полученные данные заносятся в компьютер (программа математического моделирования Math CAD) и при помощи математических вычислений строится кривая, которая сравнивается с теоретической синусоидой и получается относительная погрешность в процентах. График сравнения приведен на рисунке 3.12.
Прибор устанавливается на грядку рисунок 3.10 и 3.11 и в начале элеватора.
Данные с прибора снимаются и заносятся в таблицу.
Результаты замеров профиля грядок до прохода установки приведены в таблице 3.9.
По полученным данным построили графическое изображение профиля грядок рисунок 3.12.
Результаты замеров профиля клубненосного пласта в начале элеватора на расстоянии 300 мм от начала элеватора приведены в таблице ЗЛО.
Приборы для измерения профиля грядок и твердости почвы представлены на рисунке 3.11.
Анализ полученных кривых показывает, что реальный профиль грядки с достаточной точностью подчиняется закону синуса и выражается у — A sin х} Где А - амплитуда, А = 100 мм, а = 350 мм.
По полученным данным таблица 3.10 построили графическое изображение профиля клубненосного пласта в начале элеватора рисунок 3.13.
Анализ полученных кривых показывает, что подкопанные грядки в начале элеватора также подчиняются закону синуса и выражаются зависимостью У\ - sin — х 5 где Ai - амплитуда, Ai = 70 мм, а = 350 мм.
В результате проведенных исследований установлено, что:
- профиль картофельной грядки до прохода картофелеуборочной машины подчиняется закону синусоиды и выражается зависимостью у = A sin — х а
- профиль картофельной грядки при поступлении ее на начало элеватора также подчиняется закону синусоиды, но с меньшей амплитудой Ai и ж выражается зависимостью У\ - A sm — х .
Результаты полевых испытаний
Полевые испытания были проведены на поле ООО «Авангард», Рязанского района, Рязанской области в период с 18 по 22 августа 2007 г.
По результатам эксперимента на основе теории планирования работ и найденным оптимальным параметрам экспериментальный копатель был переоборудован. На ведущем валу элеватора эксцентриситет приводных звездочек был установлен Е = 30 мм, угол наклона элеватора установлен а = 25 , и частота встряхивания полотна была установлена v = 3,5 к/с.
Испытания проводились в сравнении с серийным картофелекопателем. За период испытаний было убрано 2,2 га на рис. 4.5 показано поле, убранное экспериментальным копателем КТН-2У.
На рис. 4.6, 4.7, 4.8 приведены характерные фрагменты работ при проведении лабораторно-полевых исследований.
Во время проведения испытаний была проведена агротехническая и эксплуатационная оценка работы. Результаты испытаний приведены в таблице 4.17.
Анализ таблицы 4.17 показал значительные преимущества экспериментального копателя с модернизированным элеватором по сравнению с серийным:
1. С увеличением скорости агрегата как у экспериментального, так и у серийного количество комков более 100 мм увеличивается, но в то же время у серийного количество комков в целом больше, чем у модернизированного. Так, например, у экспериментального на первой передаче - 1,16 %, а у серийного 1,62, т. е. на 33 % больше, а второй передаче - 2,02 % и 3,02 %, т.е. на 33 %.
2. У экспериментального копателя при данных скоростях отсепарировано после первого элеватора 61,5, 59,4 и 55,3 %, а у серийного соответственно 54,3, 52,7 и 49,6 %, т.е. в среднем на 11 % больше. А всего отсепарировано почвы копателем: у экспериментального 90,3, 86,32, 83,7, а у серийного соответственно 70,5, 69,04, 68,66 %, т.е. в среднем на 20 % отсепарировано больше.
3. По повреждениям клубней на всех передачах у обоих копателей получены близкие показатели, не превышающие нормативные показатели 5 %.
4. Потери картофеля в виде засыпанных почвой при данных скоростях у экспериментального копателя колеблются в пределах 2,22 до 2,95 %, т.е. в пределах агротребований не более 3 %, в то время как у серийного они составляют от 6,11 до 6,25 % т.е. превышают агротребования
