Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Производство картофеля в Амурской области 8
1.2 Краткая характеристика почвенно-климатических условий 13
1.3 Технологические приёмы уборки картофеля 19
1.4 Техническое обеспечение выкапывания картофеля 22
1.5 Обзор и анализ конструкций мотоблочных технических средств для выкапывания картофеля 25
2 Теоретические исследования 38
2.1 Обоснование геометрической формы рабочего органа 38
2.2 Обоснование основных конструктивных параметров предлагаемого картофелеподкапывающего рабочего органа 41
2.2.1 Обоснование параметров режущих элементов конструкции 45
2.2.2 Обоснование углов наклона сепарирующих прутьев в продольно-вертикальной и поперечно-вертикальной плоскостях 54
2.3 Определение тягового сопротивления предлагаемого картофелеподкапывающего рабочего органа 67
2.3.1 Определение сопротивления подкапывающего лемеха 54
2.3.2 Сопротивление сепарирующего устройства 60
2.3.3 Тяговое сопротивление, обуславливаемое с трением скольжения опорной пластины 68
2.3.4 Определение полного тягового сопротивления картофелеподкапывающего рабочего органа 71
3 Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1 Программа экспериментальных исследований 71
3.2 Объекты исследования и методика определения условий проведения опытов 72
3.3 Методики экспериментальных исследований 75
3.3.1 Определение тягового сопротивления 75
3.3.2 Методика определения качества подкапывания картофеля 77
4 Результаты экспериментальных исследований 80
4.1 Планирование многофакторного эксперимента и математическая обработка опытных данных 80
4.2 Условия проведения экспериментальных исследований 84
4.3 Результаты экспериментальных исследований 85
4.4 Согласованность расчетных значений тягового сопротивления КРО с экспериментальными данными 93
4.5 Анализ качественных показателей подкапывания картофеля предлагаемым КРО 94
5 Экономическая и энергетическая оценка использования предлагаемой модели картофелеподкапывающего рабочего органа 96
5.1 Экономическая оценка 96
5.1.1 Обоснование и определение цены картофелеподкапывающего рабочего органа 97
5.1.2 Определение технико-экономических показателей 98
5.1.3 Экономическая эффективность внедрения 99
5.2 Энергетическая оценка 101
Выводы и рекомендации 106
Список использованных источников 108
Приложения 118
- Обзор и анализ конструкций мотоблочных технических средств для выкапывания картофеля
- Методика определения качества подкапывания картофеля
- Результаты экспериментальных исследований
- Энергетическая оценка
Введение к работе
з
Актуальность темы. Картофель в России по праву считается вторым хлебом. Его значение в питании людей обусловлено содержанием в клубнях крахмала, протеина, витаминов и минеральных веществ. Соотношение незаменимых аминокислот в картофельном протеине такое же, как и в протеине животного происхождения. Поэтому он считается особенно ценным, уступая лишь протеину яиц, молока и мяса.
Содержание питательных веществ в картофеле не высокое, однако, более высокая его урожайность по сравнению с другими культурами позволяет получать большее производство их с единицы посевной площади.
Согласно статистическим данным более половины производимого картофеля используется непосредственно или после переработки на питание людей, около 30% поступает для кормления животных, 3...4% используют для получения крахмала и спирта и около 10% на семена.
В Амурской области более 95% картофеля производится на садовых и огородных участках населения, где урожайность в 1,54...1,78 раза выше. Кроме того индивидуальное производство картофеля позволяет решать социальные проблемы и получать экологически чистую здоровую продукцию.
Главной проблемой современного садово-огородного хозяйства является большая трудоемкость производства, обусловленная низкой степенью механизации. В технологиях возделывания картофеля на малых площадях достаточно механизированной можно признать только основную обработку почвы, наиболее энергоемкую. Самой трудоемкой операцией в производстве картофеля является уборка, составляющая 60-70% всех затрат труда. Применение машинно-тракторных агрегатов для уборки клубней на малых площадях не возможно из-за их громоздкости.
Средства малой механизации на основе мотоблоков с различными видами картофелекопателей не отвечают предъявляемым требованиям. Копатели с активными рабочими органами сильно травмируют клубни. Копатели с пассивными рабочими органами не сепарируют клубненосный слой и не вы-
деляют клубни. Как активные, так и пассивные рабочие органы в условиях повышенной влажности практически не работоспособны.
Поэтому совершенствование технологии и технических средств выкапывания картофеля на мелкоконтурных участках является актуальной научной и практической задачей.
Цель работы - повышение эффективности производства картофеля на мелкоконтурных участках путем совершенствования технологического процесса и технических средств подкапывания клубней.
Объект исследования - технологический процесс выкапывания картофеля на мелкоконтурных участках.
Предмет исследования - установление и оценка зависимостей влияния конструктивных параметров и режимов работы карто фелеподкапываю-щего рабочего органа на качество выкапывания клубней и энергетические показатели работы. Совершенствование технологического процесса и конструкции рабочего органа.
Методы исследований - теоретические исследования выполнялись с использованием положений, законов и методов классической земледельческой механики, теоретической и прикладной механики, сопротивления материалов и математики. При планировании и проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования много факторного эксперимента, регрессивного анализа и теории вероятностей. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием программы Microsoft Excel, Advanced Grapier «Sigma Plot 11.0»
Научная новизна:
разработан новый картофелеподкапывающий рабочий орган для подкапывания картофеля (патент 103697 РФ МПК А 01Д13/00);
получены зависимости для оценки влияния конструктивных параметров рабочего органа и режимов работы на качество выкапывания клубней и энергетические затраты.
Практическая значимость работы. В результате работы разработан новый рабочий орган для подкапывания картофеля на мелкоконтурных участках, а затем модернизирован. Определены оптимальные значения регулируемых параметров при различных почвенных и климатических условиях использования.
Реализация результатов исследования. Научные результаты внедрены в Крестьянско-фермерских хозяйствах «Винокурова В.М.» Тамбовского района, «Гараев P.M.» Серышевского района, «Владимир» Ромненского района и «Капускин В.В.» Октябрьского района.
Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях ДальГАУ (2007-2011г.), на научных конференциях Молодежь XXI века - шаг в будущее (2007-2011г.), Даль-НИИМЭСХ 2009г.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 10 статей, в том числе одна в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 121 страницу, в том числе 34 рисунка и 17 таблиц. В список литературы включено 104 источника, из которых 5 на иностранном языке.
Обзор и анализ конструкций мотоблочных технических средств для выкапывания картофеля
В настоящее время в розничной торговлей реализуется солидный коленкор различных приспособлений к мини-энергетическим средствам, в том числе огромное разнообразие картофелеподкапывающих рабочих органов к различным мотоблокам и их модификациям. Кроме того, русские умельцы на своих участках применяют еще большее число модификаций, приспособленных не только к местным природно-производственным условиям, но и к индивидуальным привычкам хозяев, многие из которых ухудшают эксплуатационные показатели своих аналогов и прототипов.
С другой стороны производители средств механизации афишируют такие технические характеристики, которые не будут иметь места даже в самых оптимальных условиях использования. Поэтому совершенно необходимо сформулировать требования, предъявляемые к средствам малой механизации в общем и к картофелевыкапывающим в частности, без соблюдения которых широкое использование средств механизации проблематично.
Исходя из опроса садоводов и нашего опыта использования мотоблочных средств малой механизации эти требования следующие:
1. Качество проведения мероприятий не должно уступать ручному их исполнению;
2. Усилия управляющих воздействий не должны превышать усилий при использовании заменяемых устройств, приспособлений или ручных воздействий на обрабатываемый материал;
3. Переналадка для выполнения разных операций или замена рабочих органов должна осуществляться простыми, не трудоёмкими манипуляциями одним оператором без посторенней помощи;
4. Регулировки рабочих органов должны быть простыми, легкодоступными, не трудоёмкими и осуществляться одним оператором без посторенней помощи;
5. Технические обслуживания по перечню и трудоёмкости должны быть минимальными;
6. Предпочтительна универсальность, идеальный вариант которой -один энергетический модуль и комплект оборудования, обеспечивающий выполнение всех необходимых операций на подсобном участке;
7. Транспортировка должна быть не обременительной с простой погрузкой и разгрузкой, с минимальными подготовительными операциями и без специальных погрузочно-разгрузочных средств и приспособлений.
К средствам подкапывания картофеля добавляются ещё некоторые трудновыполнимые, но к тому же очень важные требования - картофелеподкапывающие рабочие органы должны обеспечить удовлетворительное подкапывание в экстремальных почвенно - климатических условиях, при этом минимальное травмирование клубней обязательно.
И, наконец, согласно [26, 27, 46, 75, 76, 77] тягово-транспортные энергетические средства на стерне нормальной влажности могут развивать тяговые усилия по величине, равные не более 45% от эксплуатационного веса. При работе на вспаханном поле и на поле, подготовленном под посев (при не слежавшейся почве) в таком режиме буксование ведущих колес достигает до 25%. Исходя из этого полное тяговое сопротивление картофелеподкапывающих рабочих органов не должно превышать 50% от эксплуатационного веса предполагаемого энергетического средства (в нашем варианте мотоблока).
Эти требования на этапе обзора существующих конструкций, их анализа и выбора прототипа, наряду с показателями качества выкапывания клубней и работоспособности в экстремальных условиях должны служить критериями оценки конструкций. Проблема здесь заключается в полном отсутствии в технических характеристиках показателей, характеризующих тяговое сопротивление рабочих органов и тягово-сцепные свойства энергетических средств.
В качестве рабочих органов для средств малой механизации могут быть использованы, приспособлены или переделаны выкапывающие устройства комбайнов и картофелекопателей. Активные выкапывающие устройства по [42. 98 и др.] подразделяются на лемешные, дисковые и роторные. Лемешные вибрирующие или колеблющиеся для средств малой механизации малопригодны и практически не рекламируются. Встречаются вырезные и прутковые лемеха пассивного и комбинированного действия.
Дисковые активные выкапывающие устройства применяются только на комбайнах.
Наиболее распространенными активными картофелевыкапывающими рабочими органами являются роторные. Согласно [37, 38, 39, 73, 89, 90, 91, 92, 93 и др.] роторы могут иметь горизонтальную или вертикальную ось вращения и в большинстве случаев прутковые рабочие органы. Оси вращения преимущественно расположены в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к направлению движения. Классический, наиболее распространенный вариант такого копателя изображен на рис. 1.(а).
Движение осуществляется по стрелкам V, вращение по со. При изменении направления движения и вращения изменяется степень воздействия прутков на клубненосный слой почвы.
При не совпадении направлений движения и вращения возникает необходимость дополнительного привода.
Основными достоинствами таких копателей являются:
1. Компактность;
2. Исключительная степень выделения клубней из почвы;
3. Надежность технологического процесса в широком интервале почвенных условий.
Рабочие органы не забиваются даже на тяжелых переувлажненных почвах. Единственным ограничением могут быть только пересохшие после переувлажнения почвы.
Однако их широкое применение существенно ограничивается недостатками, главным из которых является неприемлемая степень травмирования клубней.
Комбинированные пассивно-активные картофелекопатели имеют пассивные и активные рабочие органы. Выпускаются преимущественно двух типов: с пассивными лемехами и пассивно-активными сепарирующими устройствами; с вибрирующими лемехами и сепарирующими устройствами.
Представителем первого типа является картофелевыкапыватель КК-1 к мотоблоку «Агро» (рис. 1.5).
В этой конструкции пассивный лемех 1, имеющий прорези в задней своей части, подрезает гребни, роторы 2 интенсивно сепарируют клубненосный слой почвы, перемещают его сбрасывают непросеянные остатки на поверхность почвы. Главное преимущество таких копателей хорошее выделение клубней. Активная сепарирующая часть практически не забивается даже в экстремальных условиях.
Однако пассивный лемех из-за своей относительно великой длины сгруживает почву с клубнями, особенно на рыхлых не связных почвах. Длина лемеха обуславливается необходимостью размещения роторов на высоте h.
Угол наклона лемеха ал не может превышать величины угла трения почвы о сталь. В противном случае почва не будет двигаться по лемеху вверх, произойдет сгруживание. Эти обстоятельства не позволят приспособить конструкцию копателя для удовлетворительной работы на рыхлых, не связных почвах. А поскольку картофель растение рыхлых почв каждый картофелевод стремится создать именно такие условия.
Конструкция КК-1 требует двойного привода, на движители и на привод сепарирующих роторов, что не во всех мотоблоках возможно.
По степени травмирования клубней картофелекопатель КК-1 предположительно может находиться между роторными и пассивными конструкциями. Аналогичные комбинированные конструкции с активно пассивными рабочими органами предлагаются к мотоблокам Zika 6 (LX 1090D); Зубр 61; Zika 105 (135); Зубр 105.
Картофелекопатели с вибрирующими лемехами и прутковыми вибрирующими сепарирующими устройствами (рис. 1.6) имеют аналогичное устройство и практически не отличаются по конструкции.
Методика определения качества подкапывания картофеля
Основным требованием к технологическому процессу подкапывания картофеля является извлечение клубней из почвы. Однако при подкапывании существующими средствами малой механизации извлечение из почвы всех клубней практически не возможно. И тогда выполняется задача минимум -разрыхление клубненосного слоя почвы без повреждения клубней или же с минимальным их травмированием. В сущности, подкапывание и обеспечивает рыхление почвы для облегчения процесса извлечения клубней с минимальным механическим травмированием.
Исходя из этого, качество выполнения технологического процесса подкапывания картофеля, можно оценить массовыми долями или процентами выкопанных, подкопанных, неподкопанных и травмированных клубней. Выкопанными клубнями считаются те, которые после подкапывания видны хотя бы частично. Такие клубни при подборе извлекают из почвы руками без дополнительного разгребания или просеивания почвы всевозможными приспособлениями или руками.
Подкопанными клубнями считаются те, которые находятся в разрыхлённой при подкапывании почве, но скрыты почвой. Для их извлечения необходимо разгрести почву руками или иными приспособлениями. Не подкопанными являются клубни, находящиеся в нетронутой подкапывающим рабочим органом почве. Такие клубни при плотной почве извлекаются с применением значительных усилий. При их извлечении из почвы необходимо произвести дополнительные подкапывания. При применении ручных приспособлений клубни травмируются и из-за необходимости применения повышенных усилий для выколупывания из твердой почвы.
Поврежденными считаются клубни, получившие видимые механические травмы, полученные при подкапывании. Клубни, имеющие видимые повреждения болезнями и повреждения вредителями, на время уборки относят к выкопанным, подкопанным, не подкопанным или поврежденным в зависимости от их состояния и нахождения в разрыхленной или не разрыхленной при подкапывании почве. Пораженные гнилью клубни, особенно сырые, травмируются от малейших механических воздействий. Т.е. получают пластические (не восстанавливающиеся) деформации при малейших механических воздействиях. Поэтому существенно увеличивается травмирование. При определении качества подкапывания массовые доли всех фракций определяются отношением к биологической урожайности, которая включает все клубни. К биологической урожайности мы не относим клубни с максимальным размером менее 3 см. Такие клубни приносят больше пользы, оставаясь на грядке. Действительная урожайность клубней определяется после переборки перед закладкой на хранение. Биологическая урожайность определяется во время уборки по выражению.
Результаты экспериментальных исследований
При проведении экспериментальных исследований использовался экспериментальный план (табл. 4.2), представляющий собой матрицу второго порядка, включающий 15 опытов.
В качестве критериев оптимизации использовано: Y - тяговое сопротивление R (кгс).
После реализации эксперимента по 15 опытами, согласно матрице и получения значений критериев оптимизации, проведены математическая обработка результатов и построение математических моделей процесса подкапывания картофеля, в виде уравнений регрессии.
Результаты регрессионного анализа, полученной зависимости, представлены в таблице 4.3.
После отсеивания статистически незначимых коэффициентов в уравнениях, методом шагового анализа, получили следующую модель процесса уборки в кодированной форме Y = 32,0000 + 2,875х, - 0,875х2 + 0,750х3 - 0,250х,х3 + 0,250х2х3 -0,250х32 min. (4.9)
Адекватность модели (4.9) и (4.10) оценена посредством критерия Фишера. Согласно неравенству FR FT (табл. 4.4), при коэффициентах корреляции R = 0,998 и доверительной вероятности Р = 0,95, модель 4.1 является адекватной. Соотношение 4.6 выполняется. Значит, полученное уравнение регрессии адекватно описывает процесс в пределах исследуемой области.
Перейдя от кодированных значений (Хь Х2; Х3) к натуральным (a; 3;v ) получили модель удельного сопротивления картофелеподкапывающего рабочего органа при уборке картофеля в раскодированной форме R= 13,896+0,417ct-0,14497p+27,904v-0,19841 av+ +0,13228pV15,747v2 (4.10)
Для определения оптимальных значений факторов, при которых R — min (opt), были заданы области их экстремальных значений критериев и рассчитаны по программе Scan (табл. 4.5).
В результате решения задачи определены оптимальные значения независимых переменных, влияющих на процесс уборки. Это угол наклона сепарирующих прутков в продольно-вертикальной (а=20 град) и в поперечно-вертикальной плоскостях ((3 =50 град), а также скорость движения v =0,529 м/с.
При указанных значениях параметров удельное сопротивление составляет R=26,750 кгс.
В нашем случае необходимо найти такие значения факторов, при которых тяговое сопротивление машины, было бы минимальным. С этой целью по полученным уравнениям регрессии строят поверхности откликов и их сечения.
Анализ регрессионных уравнений показал, что наибольшее влияние на удельное сопротивление оказывает скорость движения и угол а.
Для анализа влияния указанных факторов на данный процесс, при помощи программы «Mathcad 2000 Professional», были построены поверхности откликов Y и их сечения (рис.4.1 - 4.6). Для этого исходные уравнения регрессии необходимо свести к уравнениям с двумя переменными.
Поверхность отклика и его сечение при стабильном значении угла наклона сепарирующих прутков в продольно-вертикальной плоскости а - 20 показывают, что тяговое сопротивление минимально (Y = 267...292 Н) и изменяется не существенно. Изменение происходит за счёт вариации скорости движения. С её увеличением от 0,529 м/с до 0,781 м/с тяговое сопротивление увеличивается на 25 Н или на 8,5 %. При изменении угла наклона плоскости расположения сепарирующих прутков в поперечно-вертикальной плоскости изменение тягового сопротивления происходит значительно меньше.
Поверхность отклика и его сечение при стабильном значении угла расположения сепарирующих прутков в поперечно-вертикальной плоскости /? = 50 имеет гораздо больший наклон и кривизну. Это указывает на более существенное влияние угла наклона сепарирующих прутьев в продольно-вертикальной плоскости и скорости движения на тяговое сопротивление рабочего органа. При минимальном значении а„ имеет место явный минимум тягового сопротивления (R = 267 Н). При максимальном значении угла а„ наблюдается абсолютный максимум тягового сопротивления экспериментального рабочего органа (R = 375 Н).
Угол наклона плоскости сепарирующих прутков в поперечно-вертикальной плоскости имеет значительно меньшую степень влияния на тяговое сопротивление рабочего органа. Это объясняется малым сходом почвы и клубней в стороны из-за прутков. Сход почвы и клубней в стороны происходит поперек сепарирующих прутков. Поэтому скатываются только крупные комки и клубни.
При фиксированном значении скорости (vp = 0,529 м/с) изменение тягового сопротивления происходит преимущественно из-за изменения Xi от 20 до 40. Это показывает большее влияние тягового сопротивления от скорости движения рабочего органа и угла наклона сепарирующих прутков в продольно-вертикальной плоскости, чем от изменения наклона расположения прутков в поперечно-вертикальной плоскости.
По результатам экспериментальных исследований, полученным данным, нами было установлено, что удельное сопротивление агрегата существенно зависит от скорости движения и углов наклона плоскостей подкапывающего рабочего органа в процессе подкапывания клубней картофеля. С учетом данного положения, посредством математического моделирования для данного процесса получены оптимальные значения параметров:
- угол продольного наклона плоскости прутьев а = 20 град;
- угол поперечного наклона плоскости прутьев р =50 град;
- скорость движения V =0,529 м/с.
Энергетическая оценка
Общепринятый анализ экономической эффективности, основанный на сравнении вариантов в стоимостном выражении, имеет существенные недостатки, связанные с инфляцией, несоответствием цен на с.-х. продукцию и промышленную, а также с рыночными отношениями. Это положение существенно усугубляется в Амурской области наличием южного конкурента производящего растениеводческую продукцию в более благоприятных условиях круглый год. Поэтому энергетическая оценка в любом случае получится более объективной. В исследованиях по механизации сельского хозяйства энергетическая оценка машин, технологий и систем машин обязательна и ей уделялось, уделяется и будет уделяться достойное внимание. При оценке с-х. машин энергоемкость всегда была главным показателем после качества выполняемого технологического процесса.
В СССР была разработана энергетическая программа на длительную перспективу [1] в которой предусматривалось:
Проведение активной энергосберегающей политики на базе ускоренного научно-технического прогресса во всех звеньях народного хозяйства и в быту, всемирную экономию топлива и энергии, обеспечение на этой основе значительного снижения удельной энергоемкости и национального дохода;
Перейти на энергосберегающие технологии производства, сохранение его материалоёмкости;
Экономить топливо и энергию во всех сферах народного хозяйства прежде всего за счет совершенствования технологий производства, создания и внедрения энергосберегающих оборудования, машин и аппаратов.
Если бы эта программа была осуществлена в сельском хозяйстве, то во времена перестройки не пришлось покупать продукты за золото, влезая в баснословные долги перед Западом.
Для осуществления энергетической программы в то время не было стимулов, киловатт электроэнергии стоил 4 коп., а литр дизельного топлива 12 коп.
Сегодня же нет смысла выращивать картофель, ибо килограмм топлива стоит около 30 руб., а картофеля не более 10 руб.
В таких обстоятельствах самой энергосберегающей технологией окажется ручная.
Существует несколько методик энергетической оценки систем земледелия, технологий возделывания и отдельных технологических операций [2, 3, 5, 6 и др.]. Наиболее полной является методика [7], согласно которой оценка производится отношением энергии содержащейся в основной и сопряженной продукции к энергии, затраченной на её производство, с учетом общественной энергии в средствах производства.
В нашей ситуации при замене одного рабочего органа (орудия) достаточно провести сравнительный анализ затрат энергии на выполнение технологического процесса подкапывания картофеля серийным образцом и предлагаемым. Для оценки агрегатов используем методику [4].
Проведенные исследования и расчеты показывают, что при замене серийного рабочего органа на предлагаемый:
1. Затраты труда снизились на 30,5%;
2. Расход топлива сократился на 11,57 кг/га;
3. Эксплуатационные издержки снизились на 1080,65 р/га;
4. Экономическая эффективность на 1 га составила 1080,65 руб.;
5. Годовой экономический эффект при подкапывании 0,45 га составил 486,29 руб.;
6. Срок окупаемости замены рабочего органа составит 1,76 года;
7. Прямые затраты энергии составили 204,56 МДж/га;
8. Затраты живого труда 4,607 МДж/га;
9. Полные энергозатраты на подкапывание картофеля снизились на 822,79 МДж;
10. Коэффициент энергетической эффективности составил 0,476.
