Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 11
1.1 Краткий анализ условий уборки сахарной свёклы. Агротехнические требования 11
1.2 Способы и технологии уборки сахарной свёклы 14
1.3 Анализ средств механизации для уборки сахарной свеклы 17
1.4 Анализ способов очистки корнеплодов сахарной свеклы и очищающих рабочих органов от почвы при уборке в неблагоприятных погодных условиях 35
1.5 Анализ использования щёточных очистителей 41
1.6 Выводы по разделу 45
2 Теоретические исследования по обоснованию параметров и режимов работы устройства для удаления налипшей почвы со щеточного очистителя 47
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы очистителя корнеплодов свеклы от загрязнений 47
2.2 Определение конструктивно-кинематических параметров и режимов активного очистителя 2.2.1 Обоснование усилий давления ворса щёточного очистителя 51
2.2.2 Обоснование геометрических параметров очищающей цилиндрической пружины 61
2.2.3 Обоснование жесткости пружины 63
2.2.4 Обоснование теоретической скорости удара ворсины о поверхность витка пружины 66
2.2.5 Определение теоретической скорости удара по ворсине, необходимого для очистки от налипшей почвы 69
2.2.6 Исследование контактного взаимодействия ворсины с витком пружины
2.3 Выводы по разделу 76
3 Методология и методика экспериментальных исследований 78
3.1 Программа экспериментальных исследований 78
3.2 Методика определения влажности почвы в поле 80
3.3 Методика определения влажности почвы на извлечённых корнеплодах 82
3.4 Методика определения липкости почвы 83
3.5 Методика определения коэффициента внешнего трения почвы по поверхности 86
3.6 Методика определения диаметра корнеплодов 87
3.7 Методика определения загрязненности корнеплодов свёклы 88
3.8 Методика определения скорости удара, необходимого для отрыва почвы от ворсины 89
3.9 Методика определения расстояния до места удара по ворсине 91
3.10 Методика исследования взаимодействия щеточного очистителя с пружиной и определения степени очистки корнеплодов 91
3.11 Оптимизация параметров рабочего органа для очистки корнеплодов сахарной свеклы 94
4 Результаты экспериментального исследования и их анализ 97
4.1 Результаты определения некоторых физико-механических свойств почвы 97
4.2 Результаты определения некоторых физико-механических свойств корнеплодов 99
4.3 Результаты определения загрязненности корнеплодов свёклы 100
4.4 Результаты определения скорости удара 101
4.5 Результаты определения места приложения ударного импульса 102
4.6 Результаты лабораторных испытаний установки для очистки корнеплодов сахарной свеклы 104 4.7 Результаты определения оптимальных значений параметров рабочего органа для очистки 106
4.8 Выводы по разделу ПО
5 Опенка эффективности использования устройства для удаления налипшей почвы со щеточного очистителя при борке в условиях повышенной влажности 112
5.1 Эффективность применения устройства для очистки щеточного очистителя от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности 112
5.2 Энергетическая эффективность применения устройства для очистки эластичных прутков щеточных очистителей при уборке в условиях повышенной влажности почвы 114
5.3 Расчет затрат на перевозку корнеплодов сахарной свеклы и определение потерь плодородного слоя почвы и гумуса 118
5.4 Выводы по разделу 120
Заключение 121
Список использованных источников
- Анализ способов очистки корнеплодов сахарной свеклы и очищающих рабочих органов от почвы при уборке в неблагоприятных погодных условиях
- Обоснование усилий давления ворса щёточного очистителя
- Методика определения влажности почвы на извлечённых корнеплодах
- Результаты определения места приложения ударного импульса
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Сахарная свекла является одним из основных источников получения сахара в Российской Федерации. При соответствующих почвенных, климатических, погодных условиях и высокой агротехнике она способна обеспечивать урожайность до 70-80 т/га, а выход сахара может достигать до 10 т/га.
Одной из наиболее трудоемких операций при возделывании сахарной свеклы является уборка. По мнению Д. Шпаара свеклу можно считать спелой, когда она в течение нескольких дней затрачивает больше запасов энергии на дыхание, чем образует новые запасные вещества ассимиляцией. При определении сроков уборки нужно учитывать, что интенсивный рост корнеплодов и накопление в них сахара происходит со второй декады сентября. В условиях Центрального Черноземья данный срок наступает поздней осенью, который характеризуется ухудшением агрофизических свойств почвы (повышается влажность и липкость). В результате этого происходит залипание почвой выкапывающих и сепарирующих рабочих органов свеклоуборочных машин, ухудшаются возможности очистки корнеплодов, что резко снижает качество уборки.
Поэтому разработка высокоэффективного рабочего органа для очистки сахарной свеклы, адаптированного к условиям уборки в неблагоприятных погодных условиях, позволяющего снизить загрязненность выкопанных корнеплодов, неэффективные затраты на их транспортировку и предотвратить потери плодородного слоя почвы и гумуса, является весьма актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с перспективным планом НИР Мичуринского ГАУ на 2010-2015 гг. «Технологическое и энергетическое обеспечение сельского хозяйства», раздел «Совершенствование технологического процесса уборки сахарной свеклы при повышенной влажности почвы».
Степень разработанности темы. Вопросам механизированной уборки корнеплодов сахарной свеклы посвящены работы Ю.Б. Аванесова, Н.И. Кри-вогова, Н.П. Волосевича, А.Ф. Никитина, Ю.А. Тырнова, Л.В. Погорелого, В.В. Брея, И.А. Дробышева и других исследователей.
Проблемам повышения эффективности очистки корнеплодов сахарной свёклы путем применения щеточных рабочих органов посвящены труды ряда авторов: Ч.Е. Арданова, К.К. Адрианова, Г.Р. Винтерле, А.В. Дервиша, С.А. Найданова, В.И. Горшенина, В.Я. Кондратьева, В.М. Булгакова, СВ. Соловьева, В.А. Мухина, М.К. Дусенова, КЗ. Кухмазова, и других ученых.
Однако, несмотря на большое количество различных технических решений по повышению эффективности очистки, возможности совершенствования данного процесса и технических средств в сложных погодных условиях полностью не исчерпаны и требует дополнительных исследований.
Цель исследований - повышение качества очистки корнеплодов сахарной свеклы щеточным очистителем путем разработки устройства для удаления с него налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажно-
сти.
Поставленная цель предусматривает решение следующих задач исследований:
-
Провести анализ существующих очистительных рабочих органов, выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей в период уборки при повышенной влажности.
-
Теоретически исследовать процессы налипания почвы на щеточные органы уборочных машин и разработать устройство для удаления налипшей почвы с них при уборке в неблагоприятных погодных условиях.
-
Экспериментально исследовать влияние конструктивно-режимных параметров рабочих органов для удаления налипшей почвы со щеточных барабанных очистителей на степень очистки корнеплодов и определить их оптимальные значения.
-
Провести производственную проверку экспериментальной установки для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя и определить технико-экономическую эффективность её использования.
Научная новизна:
- обоснована конструктивно-технологическая схема и конструкция
устройства для очистки щеточного рабочего органа уборочных машин от
налипшей почвы, при уборке сахарной свеклы в условиях повышенной
влажности;
получены аналитические зависимости, характеризующие закономерности взаимодействия рабочих органов разработанного устройства с ворсинками щеточного очистителя корнеплодов;
разработана математическая модель процесса очистки щеточного очистителя корнеплодов предлагаемого устройства от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности;
теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры устройства;
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2400048 «Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов».
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая часть работы заключается в разработке математических зависимостей и установлении влияния технологических и конструктивных параметров рабочих органов на процесс очистки щеточного устройства от налипшей почвы в условиях повышенной влажности.
Применение разработанного устройства позволяет снизить загрязненность выкопанных корнеплодов на 65... 70%, неэффективные затраты на их транспортировку 438,4 руб./га, а также вынос плодородного слоя почвы и гумуса соответственно на 3,5 и 0,21 т/га по сравнению с серийными уборочными комбайнами при использовании их в условиях повышенной влажности.
Методология и методы исследований. Методология проводимых исследований основана на анализе патентной литературы, научных статей отечественных и зарубежных авторов, информационных изданий и книг научной и производственной тематики. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов математики, физики, теоретической механики и аналитической геометрии. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях с использованием общепринятых методик в соответствии с действующими ГОСТами, а также с использованием планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики, программ Microsoft Excel 2013 и «STATISTICA 10».
Положения, выносимые на защиту:
- уточненная классификация рабочих органов для очистки корнеплодов
сахарной свеклы по новым классификационным признакам - по способу
очистки рабочих органов и по способу воздействия;
- конструктивно-технологическая схема устройства для удаления
налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей при повышенной
влажности;
теоретические зависимости определения конструктивно-технологических и режимных параметров разработанного устройства для удаления налипшей почвы с приводных цилиндрических щеток;
математическая модель определения степени очистки корнеплодов от конструктивно-режимных параметров очищающего устройства;
результаты экспериментальных исследований липкости и влажности почвы, скорости удара, расстоянию до места удара по ворсине, диаметра проволоки пружины;
технико-экономическая эффективность использования разработанного устройства для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена многолетним периодом исследований, статистической обработкой экспериментальных данных методами дисперсионного и корреляционного анализов.
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Научно-практической конференции «Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области» (Мичуринск, 2004); Международной научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в развитие аграрной науки XXI века» (Рязань, 2004); Научно-практической конференции, посвященной 55-летию инженерного факультета (Рязань, 2004); XIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции»//«Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в с.-х. производстве» (Тамбов, 2005); XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельско-
хозяйственной продукции»//« Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 2011); 62-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (Мичуринск-наукоград, 2010); Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск-наукоград, 2014).
Материалы настоящих исследований используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 8,07 печ. л., из которых 4,57 печ. л. принадлежат лично автору.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 149 страниц, из которых на 123 страницах изложен текст работы. Список литературы включает 141 наименование, в том числе 11 источников - на иностранных языках. Работа иллюстрирована 9 таблицами и 76 рисунками.
Анализ способов очистки корнеплодов сахарной свеклы и очищающих рабочих органов от почвы при уборке в неблагоприятных погодных условиях
Существуют три способа уборки сахарной свеклы (рисунок 1.1) [55], [60], [67]: - комбайновый, при котором за один проход машины (комбайна) обес печивается механизированное выполнение всех операций по уборке ботвы и корнеплодов; -раздельный, когда ботву убирают ботвоуборочными, а корни — корне-уборочными машинами (двухфазная уборка); - полумеханизированный способ уборки, при котором ботву скашивают косилками и доставляют ее к месту назначения, а корнеплоды убирают пере оборудованными картофелекопателями, которые выкапывают их, очищают от почвы и укладывают на поле в продольные валки. Для выкопки корнеплодов могут использоваться и свеклоподъемники. Перед уборкой целесообразно провести предуборочное рыхление междурядий 6-рядным культиватором с долотообразными лапами [57].
Классификация способов уборки сахарной свёклы С технологической точки зрения различают три основных способа уборки сахарной свеклы (рисунок 1.2) [56], [68]: - трехфазный, при котором специализированные машины по отдельности удаляют ботву, выкапывают корнеплоды и загружают их в транспортные средства; - двухфазный, при котором возможны два варианта: 1. Первым проходом агрегата удаляют ботву, а вторым - выкапывают и загружают корнеплоды в бункер накопитель или транспортное средство; 2. Первым проходом агрегата удаляют ботву, а вторым проходом - загружают корнеплоды в бункер-накопитель или транспортное средство; - однофазный, при котором три технологические операции (удаление ботвы, выкапывание корнеплодов и погрузка их в транспортное средство) выполняются одним самоходным комбайном либо прицепным или навесным машинно-транспортным агрегатом.
Основное достоинство двухфазного способа состоит в том, что процесс выкапывания корнеплодов не зависит от их транспортировки, поэтому последняя не влияет на производительность уборочного агрегата.
При однофазном способе уборки совмещения технологических операций позволяют высвободить один или два трактора и сократить численность обслуживающего персонала. При применении данного способа, структура почвы нарушается меньше, чем при многофазной. Недостатками однофазной уборки являются высокая стоимость самоходных комбайнов и зависимость их производительности от перебоев с транспортировкой сахарной свеклы.
Механизированная уборка сахарной свеклы (рисунок 1.3) осуществляется по поточной, перевалочной и поточно-перевалочной технологии. Выбор той или иной технологической схемы уборки зависит от условий уборки и перевозки урожая, производительности и качества работы свеклоуборочных комбайнов, типа и количества транспортных средств, занятых на перевозке корнеплодов [2], [56].
При достаточном количестве транспорта и небольшом расстоянии до приемного пункта (до 15 км) корни убираются в основном поточным способом. При этом комбайн извлекает корнеплоды из земли и погружает их в транспортное средство для отправки непосредственно на завод. Однако поточный способ имеет ряд недостатков: время работы транспортных средств ограничено продолжительностью работы комбайнов, наблюдается значительный износ автомобилей, движущихся во время погрузки по взрыхленной почве на малой скорости и т. д [2], [56].
При недостатке транспорта, а также некачественной очистке корнеплодов свеклоуборочными машинами имеет преимущество перевалочный способ уборки, при котором свеклу от комбайна тракторными самосвальными прицепами или автомобилями вывозят на край или середину поля во временные кагаты, образуя технологический запас, не превышающий суточного количества выкопанных корней. Из кагатов в день уборки свеклу грузят в автомобили погрузчиками для отправки на свеклоприемные пункты. Перевалочным способом обычно убирают свеклу при радиусе доставки более 20 км, а также в условиях повышенной влажности почвы - (24...26 %). При уборке этим способом производительность комбайна не зависит от количества транспорта, что снижает их простои. К недостаткам перевалочного способа уборки свеклы следует отнести высокие дополнительные затраты на погрузку сырья и повреждаемость при этом корней [2], [56].
Поточно-перевалочный способ уборки совмещает поточную и перевалочную схемы. В зависимости от наличия транспортных средств урожай от комбайна отвозят на приемный пункт или выгружают во временные полевые кагаты. Сочетание поточного и перевалочного способов уборки определяют таким образом, чтобы простои всех машин, участвующих в процессе уборки и вывозки, были минимальными. Если приемный пункт расположен на расстоянии 16...20 км от поля, то уборку выполняют поточным способом в пределах 50...70 %, при дальних расстояниях — до 30 %. При перевалочном способе уборки основной объем продукции автомобили доставляют на сахарный завод ночью [56].
Обоснование усилий давления ворса щёточного очистителя
Подробный анализ существующего многообразия рабочих органов свеклоуборочных машин и агрегатов показал, что современным возросшим требованиям к качеству и технико-экономическим требованиям наиболее близко соответствуют комбинированные (состоящие из нескольких устройств) или щеточные очистители, которые являются, на наш взгляд, наиболее перспективными рабочими органами.
Исходными данными для исследований и конструкторских решений при разработке сельскохозяйственных машин и основным документом для их оценке при испытании - являются агротехнические требования. Агротехническими требованиями к машинам и комбайнам для раздельной уборки свёклы предусмотрено, что убранные корнеплоды свеклы должны быть пригодны для сдачи на пункты приемы без ручной доочистки.
Основным требованием является достижение требуемого качества очистки корнеплодов. Относительным показателем качества, является загрязненность корнеплодов, которая определяется по формуле [83], [84]: где 77гзагр - масса загрязненного корнеплода до очистки, кг; 7тгочищ - масса загрязненного корнеплода после процедуры очистки, кг. Из формулы (2.1) следует, что для снижения загрязненности корнеплода, необходимо снижение его остаточной массы после очистки.
В существующих свеклоуборочных машинах корнеплоды извлекаются из рядка, затем попадают на транспортёр (шнековый, прутковый или роторный очиститель). Далее процесс отделения примесей от корнеплодов производится в ворохе, что зачастую приводит к плохой очистке и повреждениям, а именно - обломанным хвостикам, что снижает содержание (количество) сахара в поступающем сырье на сахарные заводы [1], [5], [21], [59], [83], [85].
Поэтому подход при очистке корнеплодов должен производиться индивидуально с каждого рядка. Наиболее приспособленным рабочим органом для очистки отдельного корнеплода (не в общем ворохе) являются щёточные очистители, выполненные в виде щёток или щёточных барабанов, которые хорошо копируют обрабатываемую поверхность. Применение щёточных очистителей также оправдано в связи с особенностями наружной поверхности, которая имеет мелкие глубокие бороздки, в отличие от корнеплодов кормовой свёклы, моркови, картофеля [21].
Для достижения требуемой степени очистки, необходимо обеспечить качественное копирование поверхности корнеплода рабочим органом, а также его способность к самоочистке.
В соответствии с вышеизложенным, нами разработан очиститель корнеплодов от почвенных примесей, работа которого удовлетворяет агротехническим требованиям (рисунок 2.1). Он может успешно использоваться на различных свеклоуборочных комбайнах и машинах, а также на свеклоприемных пунктах и свеклоперерабатывающих предприятиях.
В основу принципиальной конструктивно-технологической схемы очистителя положены следующие технические решения: - рабочим органом является цилиндрический щеточный барабан с капроновыми ворсинами, обеспечивающими высокую степень очистки и копирования поверхности корнеплода; - ворсины собраны в пучки и закреплены параллельными рядами по образующим цилиндра для лучшего обеспечения самоочистки щётки от загрязнений; - подающий роликовый транспортер; - щёточные барабаны расположены под прямым углом к направлению движения роликового транспортера; - щёточные барабаны, роликовый транспортёр, электрические приводы - смонтированы на раме; - привод рабочих органов и транспортёра осуществляется от электродвигателей, посредством клиноремённых и цепных передач. - элемент транспортирующий; 2 - приводная цилиндрическая щётка; 3 - витая цилиндрическая пружина растяжения; 4 - кривошипно-шатунныи механизм; 5 - кулисный механизм
Конструктивно-технологическая схема очистителя корнеплодов свеклы от загрязнений Предлагаемое устройство имеет транспортирующий корнеклубнеплоды элемент 1, выполненный в виде лотков, отходящих от каждого выкапывающего органа для индивидуальной транспортировки корнеклубнеплодов каждого рядка, основаниями которых могут быть прутковые транспортеры. Над транспортирующим элементом 1 установлены приводные цилиндрические щетки 2 с эластичным ворсом. Над щетками расположена витая цилиндрическая пружина растяжения 3 из проволоки круглого поперечного сечения, ось которой расположена параллельно оси щеток. Один конец пружины закреплен к раме, а второй совершает возвратно-поступательное вибрационное движение вдоль оси щеток посредством кривошипно-шатунного 4 и кулисного 5 механизмов, что приводит к её самоочистке.
В процессе работы выкопанные корнеклубнеплоды транспортирующим элементом 1 лоткового типа подаются головками вперёд в зону действия приводных цилиндрических щёток 2 с эластичным ворсом, которые за счёт возвратно-поступательного вибрационного движения витой цилиндрической пружины 3 вдоль оси щёток посредством кривошипно-шатунного 4 и кулисного 5 механизмов очищаются от налипшей почвы. Благодаря тому, что ворох корнеклубнеплодов практически отсутствует, так как они движутся в один слой, происходит более интенсивное воздействие очистительных рабочих органов, нежели бы они двигались в толще вороха и беспорядочно.
Работа очистителя с вращающимся щёточным барабаном в полевых условиях при переувлажнённой почве не позволяет в полной мере использовать существующие рекомендации и справочные данные для расчёта его основных элементов [21], [18], [83]. Поэтому необходимо провести ряд теоретических исследований предлагаемого очистителя и получить аналитические зависимости и формулы для определения основных конструктивно-кинематических параметров.
С учётом вышеизложенного, подлежащие исследованию вопросы, сводятся к теоретическому обоснованию: 1. геометрических параметров очищающей цилиндрической пружины; 2. глубины погружения витков пружины в щёточный барабан. По данным С.А. Найданова самоочищение щеточного барабана под действием центростремительной силы не происходит, даже при оборотах щеточного барабана 548 мин"1, так как взаимодействие ворсин с загрязнёнными корнеплодами можно считать величиной постоянной. Поэтому требуется производить очистку барабана дополнительным устройством [86].
Методика определения влажности почвы на извлечённых корнеплодах
Липкость почвы зависит от её структуры и влажности [113]. Для определения липкости пользуются приборами В.В. Охотина, Н.А. Качинского и др. [113].
Наши исследования проводились при влажности почвы от 6 до 32% (рисунок 3.4) прибором аналогичным конструкции ВИСХОМ для определения липкости почвы, методом отрыва штампа от поверхности почвы заданной влажности.
Прибор (рисунок 3.5) представляет собой площадку 1, на которой закреплена стойка 5. На стойке 5 установлен кронштейн и механизм перемещения 6, который позволяет изменять положение кронштейна в вертикальной плоскости по высоте. На кронштейне прикреплён тарированный динамометр 4, на который нанесены две шкалы измерений в Ньютонах и граммах. На площадке 1 установлен цилиндр 2, который заполняется почвой заданной влажности, куда помещался образец ворсины 3. Он представляет собой ворсину треугольной формы, одной вершиной которого он закреплялся к динамометру.
В нерабочем положении пружина динамометра 4 не растянута (отметка «О»), а штамп 3 прижат основанием к почве в цилиндре 2 (рисунок 3.5).
Прибор для определения липкости почвы к ворсине В высушенную в печи почву и завешенную на весах добавляли заданное количество воды и хорошо перемешивали. Затем образец почвы необходимой влажности помещался в цилиндр 2 (см. рисунок выше) и проводилось измерение. Штамп 3 прижимался к образцу почвы, не заглубляясь в неё, выдерживался в нём 15...20 сек., затем при помощи механизма 6 кронштейн с закреплённым динамометром 4 поднимался вверх. Значение отрыва штампа 3 регистрировалось и заносилось в журнал. Опыт проводился в 4... 6 кратной повтор-ности с указанием максимального значения.
Методика определения коэффициента внешнего трения почвы по поверхности
Для определения коэффициента статического трения при скольжении почвы разной влажности по исследуемому материалу, производились прибором аналогичным конструкции прибора ВИСХОМ (рисунок 3.7). станина, 2 - кронштейн, 3 - каретка с образцом почвы, 4 - динамометр, 5 механизм для перемещения каретки Рисунок 3.7 - Общий вид прибора для определения коэффициента трения Почва определённой влажности укреплялась на каретке 3, после чего её перемещали по поверхности (полипропилен, лавсан) посредством механизма 5.
Пружинным динамометром 4 определяли сила, которая необходима для преодоления силы трения тр.. Далее определяли коэффициент трения как отношение N (прижимающая сила) к силе трения тр..
На данной экспериментальной установке определяли коэффициент трения покоя, коэффициент трения движения (3.3).
Средний диаметр корнеплода сахарной свёклы измерялся по видимой линии наибольшего диаметра штангенциркулем ШЦ-П-250 с ценой деления 0,1 мм. Затем, все значения складывались и делились на количество их замеров, получая средний диаметр корнеплода. Масса корнеплодов сахарной свёклы, определялась путем взвешивания каждого корнеплода на весах с ценой деления 0,001 кг. По результатам строили графики зависимости.
Определение загрязненности корнеплодов проводилось в соответствие с ГОСТ Р 53036-2008. Свекла сахарная. Методы испытаний, следующим образом. В поле при уборке (рисунок 3.9), брали извлеченные корнеплоды и укладывали их в корзину (вес которой известен). Затем производили взвешивание. После взвешивания, корнеплоды извлекались из корзины и очищались от почвы, затем их вновь укладывали в корзину и производили взвешивание. Загрязненность определяли по остаточной массе, используя формулу [84]: где Шзагр - масса корзины с корнеплодами до очистки, кг; Шочищ - масса корзины с корнеплодами после очистки, кг. По результатам строили графики зависимости. 3.8 Методика определения скорости удара, необходимого для отрыва почвы от ворсины
Для определения необходимой скорости удара для отрыва почвы от ворсины, был разработан и использован прибор состоящий, из площадки 1, стойки 2, маятника 5, и циферблата 6. На площадке 1 укреплялся образец ворсины 3 с образцом почвы, определённой влажности и массы (рисунок 3.10). - площадка, 2 - стойка, 3 - ворсина, 4 - часть витка пружины,
Эксперимент проводился следующим образом. На площадку 1 прикрепляли ворсину 3 с образцом почвы определенной влажности и массы, отклоняли маятник 5 с закреплённой частью витка пружины 4 на некоторый угол а и отпускали его. Значения угла отклонения маятника, при которых происходил отрыв образца почвы, заносились в журнал. Затем определяли скорость удара, необходимую для отрыва образца почвы от ворсины 3, при встрече с ним части витка пружины 4 по формуле Галилея:
Для определения расстояния до места удара по ворсине, необходимого для отрыва налипшей почвы, был использован тот же прибор (рисунок 3.10), дополнительно оснащенный линейкой - 500 ГОСТ 427-75.
Эксперимент проводился следующим образом. На площадку 1 прикрепляли ворсину 3 с образцом почвы определенной влажности, отклоняли маятник 5 с закреплённой частью прутка 4 на некоторый угол а и отпускали его. Регулировку расстояния производили, опуская или приподнимая закрепленный циферблат 6 на стойке 2 с помощью регулировочного винта, расположенного на стойке 2. Значения высоты (места) приложения ударного импульса определяли по линейке и уголку, при которых происходил отрыв образца почвы. Результаты обрабатывались по методике с использованием программы Microsoft Excel 2013 [111], [117].
Для определения степени очистки корнеплодов от почвы была изготовлена экспериментальная установка (рисунок 3.12). Она содержит сварную раму 1, имеющую прутковый транспортер 5. Транспортер приводится в движение посредством двигателя 2, передающего крутящий момент через муфту 3 на редуктор 4. Редуктор 4 имеет на выходном валу цепную передачу, которая передает вращающий момент на вал транспортера 5. Над транспортирующими элементами установлены два приводных цилиндрических щеточных барабана 7 с эластичным ворсом. Барабаны 7 установлены в стойках 6 и приводятся в движение посредством ременной передачи 8. Над первым щеточным барабаном расположена пружина 9.
Результаты определения места приложения ударного импульса
Экспериментальные исследования определения места удара по ворсине, полностью согласуются с теоретическими исследованиями, т.е. удар должен приходится на расстоянии 2/3 длины ворсины от места крепления её на барабане. Изменение степени очистки ворсины от расстояния до места удара представлено на графике (рисунок 4.7).
Как видно из зависимости, степень очистки ворсины изменяется по квадратичному уравнению и имеет высокий коэффициент корреляции с теоретической кривой. Анализ зависимости (рисунок 4.7) показывает, что наиболее эффективное очищение ворсины от почвы происходит при приложении удара на расстоянии от 50 до 70 мм от места крепления ворсины при длине ворсины 100 мм.
Для практического применения, используя данные графиков (рисунки 4.5, 4.6, 4.7), зависимость степени очистки ворсины от скорости удара витка пружины по ней, от расстояния (высоты) витка до места удара, расстояния от места крепления ворсины до места удара, составлена номограмма для определения оптимальных параметров места удара по ворсине (рисунок 4.8).
При проектировании и изготовлении установки было проведено моделирование технологического процесса.
При проведении испытаний выявлено, что применение активного очистителя в виде пружины одна сторона которой совершает возвратно-поступательное движение - даёт эффективный результат, соответствующий выполнению агротехнических требований, однако её использование усложняет конструкцию очистителя и снижает её надёжность. Поэтому были проведены дополнительные испытания с установкой пружины, концы который были закреплены в раме и в дальнейшем заменой её на статичный металлический пруток.
В ходе предварительных лабораторных исследований экспериментальной установки выявлено, что по основным агротехническим показателям качества выполнения технологического процесса очистки, установка соответствует агротехническим требованиям (рисунок 4.9).
Как показали предварительные эксперименты, применение активного очистителя, выполненного в виде пружины одна сторона которой совершает возвратно-поступательное движение - эффективно, однако энергетически затратнее, чем использование пружины, концы который были закреплены в раме или использование прутка.
Поэтому для дальнейшего исследования мы используем пружину, концы который были закреплены в раме и определяем: - скорость удара; - расстояние до места удара по ворсине; - диаметр проволоки пружины. Экспериментальные исследования были проведены на полях хозяйств Тамбовской области как ООО «Агро Виста Тамбов» и ООО «Ивушка» о чём свидетельствуют акты внедрения.
Основные результаты экспериментальных исследований автора опубликованы в различных трудах институтов [70], [121], [122], [123], [124], [125], [126] [127], [128], [129], [130], [131] и научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ [132], [133].
Исследования проводились на урожайно-сахарных типах гибридов сахарной свёклы: ХМ-1820 (фирма «Сингента», Швейцария) и РМС - 120 (Россия).
В начале процесса происходит загрязнение щетки влажной почвой. Затем, по мере работы, влажная почва смещается на ворсинах к оси вращения барабана, где в данный момент происходит удар о виток пружины, от чего почва удаляется с поверхности ворсин и процесс повторяется.
Зафиксированные результаты опытов обработаны по методике, представленной в главе 3 и [119]. Проверка однородности проводилась по критерию Кохрена. Далее нами представлены результаты экспериментальных исследований и оптимизации конструктивных и режимных параметров щеточного очистителя, выполненные в программе «STATISTICA 10».
Проанализировав полученные данные поверхностей отклика (рисунок 4.11), можно установить, что при скорости удара от 2,5 до 4,5 м/с и диаметре проволоки пружины от 0,002 до 0,005 м степень очистки наилучшая и составляет более 90%.
Проанализировав полученные данные поверхностей отклика (рисунок 4.12), можно установить, что при расстоянии до места удара от 0,049 до 0,057 м и диаметре проволоки пружины от 0,0027 до 0,0042 м, степень очистки ворса составляет более 90%.
Таким образом, согласно результатов, полученных при анализе двух и трехмерных поверхностей откликов, качественное выполнение технологического процесса, т.е. степень очистки корнеплодов, достигается при следующих значениях: расстояние до места удара 35... 58 мм, скорость удара 2,9... 4,2 м/с и диаметр проволоки пружины 2,7...4,2 мм.
В результате применения статистических процедур компьютерной программы Statistica 10.0, рассчитаны оценки Р-коэффициентов нелинейной регрессии при кодированных xi, Х2, хз и натуральных Vnv, /, d переменных, их стандартные ошибки, t-критерии Стьюдента для проверки значимости компонентов регрессии, уровни вероятности р, верхние и нижние 90%-ные доверительные границы.
Используя полученные методом наименьших квадратов оценки коэффициентов регрессии, запишем уравнение для степени очистки корнеплодов от кодированных xi, Х2, хз переменных: у=70,25+21хі-29,5х2-2хз+5,8хі2+17,37х22+1,87хз2-11,5хіХ2-0,5хіхз-0,5х2хз
Наиболее значимое влияние на степень очистки корнеплодов оказывает скорость удара (коэф. регрессии = 21), расстояние до места удара (коэф. регрессии = 29,5) и квадратичный член регрессии хг2 (коэф. регрессии = 17,37), коэффициенты регрессии которых, являются наибольшими среди коэффициентов уравнения. Также видна значимость скорости удара от расстояния до места удара (коэф. регрессии = 11,5).
Эффективность применения устройства для очистки щеточного очистителя от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности Срок уборочных работ составляет в среднем 40-50 календарных дней. Из которых, в течение 10-20 дней уборку сахарной свеклы не проводят, из-за повышенной влажности почвы, в силу неэффективности сепарирующего устройства свеклоуборочной техники [63]. В результате уборочные работы затягиваются, а хозяйства вынуждены начинать их в более ранние сроки, когда сахарная свёкла ещё не достигла своей технической спелости. При этом происходят потери сахара до 12%.
Так как в сентябре-октябре происходит интенсивный рост корнеплодов и увеличение их сахаристости, то уменьшение сроков уборки и перенесение их на более позднее время, позволяет хозяйствам увеличить выход сахара с единицы площади [63].
Предлагаемые нами очищающие рабочие органы позволяют продолжать уборочные работы в сложных условиях (при повышении влажности почвы до 32%). Такие условия занимают до трети продолжительности уборочных работ. Для определения экономической эффективности разрабатываемой новой техники или технологии требуется её сравнение, т.е. новой (экспериментальной) установки с лучшей из аналогичных.