Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния уровня механизации уборки плодов бахчевых культур и обоснование конструкции подборщика-погрузчика
1.1. Обоснование конструкции подборщика плодов бахчевых культур 21
Глава 2. Теоретическое обоснование основных конструкторских и кинематических параметров подборщика-погрузчика плодов бахчевых культур 27
2.1. Взаимодействие рабочих органов с плодами 27
2.2. Определение угла установки вкатывателя и перемещения плода к подборщику 35
2.3. Определение воздействия на плоды бахчевых при ударе... 40
2.4. Теоретическое определение угла поворота лопасти при начале движения плода 47
2.4.1. Условие начала движения плода по наклонной лопасти к укладывающему лотку 48
2.4.2. Условие схода плода с лопасти подборщика 50
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 55
3.1. Программа исследований 55
3.2. Оборудование, приспособление и приборы, использованные при проведении исследований 58
3.3. Взаимодействие плодов с почвой и рабочими органами... 61
3.4 Прочностные характеристики плодов и плетей бахчевых культур 63
3.5. Методика экспериментальных исследований по определению параметров подборщика-погрузчика 64
3.5.1. Методика определения параметров плодосдвигающей 68 планки
3.5.2. Методика определения параметров плодоподъемного контура 72
3.6. Применение регрессионного анализа на основе методов активного планирования эксперимента 74
2.3.10. Ширина зоны выгрузки 73
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований.. 80
4.1. Размерно-весовая характеристика плодов-арбузов 80
4.2. Показатели трения плодов по почве и конструкторским материалам
4.3. Прочностные показатели плетей и их связей с плодами и почвой 84
4.4. Сопротивление плодов статическим нагрузкам 86
4.5. Ударные характеристики плодов , 87
4.6. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров подборщика-погрузчика 90
4.6.1. Ширина планки вкатывателя и валкообразователя 90
4.6.2. Высота установки плодосдвигающеи планки над поверхностью почвы 91
4.6.3. Угол установки плодосдвигающеи планки к поверхности почвы 92
4.6.4. Угол установки плодосдвигающеи планки к направлению движения подборщика-погрузчика 94
4.6.5. Длина плодосдвигающеи планки 95
4.6.6. Ширина зоны вкатывания плодоподъемного контура 97
4.6.7. Ширина плодоподъемного контура 98
4.6.8. Высота лопастей плодоподъемного контура 99
4.6.9. Шаг лопастей 100
4.6.10. Шириназоны выгрузки ; 102
4.6.11. Расчет параметров подборщика погрузчика 103
4.7. Оптимизация параметров транспортерного подборщика-погрузчика 105
Глава 5 Определение основных экономических показателей при механизированной уборке арбузов
Общие выводы 128
Рекомендации производству 130
- Обоснование конструкции подборщика плодов бахчевых культур
- Взаимодействие рабочих органов с плодами
- Оборудование, приспособление и приборы, использованные при проведении исследований
- Размерно-весовая характеристика плодов-арбузов
Введение к работе
Актуальность исследований. Современное сельскохозяйственное производство настоятельно требует решения проблем повышения урожайности сельскохозяйственных культур на основе ресурсосберегающих почвозащитных технологий, обеспечивающих комплексную механизацию всех технологических операций при значительном снижении энергетических затрат с сохранением эффективного и потенциального плодородия почвы. [51, 53] Особую актуальность имеет проблема снижения или полного исключения доли ручного труда при выполнении наиболее трудоемких технологических операций.
Однако, при выращивании таких культур как овощные, бахчевые, плодовые, ягодные и им подобные полностью исключить ручной труд при современном уровне развития сельскохозяйственной техники невозможно. Это связано со специфическими свойствами не только самих растений, но и плодов. Так, технологии возделывания и уборки бахчевых включают операции, традиционно выполняемые во всех регионах полностью или частично вручную. Большая часть затрат ручного труда приходится на прополку посевов бахчевых и уборку урожая.
Основное отличие растений бахчевых от других культур в том, что по мере развития они стелятся по поверхности поля и тем самым затрудняют применение машин для механизации уборки плодов.
На богаре урожайность лучших сортов арбузов составляет 250 ... 300 ц/га. Характерной особенностью районов возделывания бахчевых культур является равнинный характер местности, подверженной воздействию ветровой эрозии почвы, поэтому для защиты пахотных земель от нее необходимо применять комплекс противоэрозионных агротехнических мероприятий, включающих безотвальную обработку почвы с оставлением стерни, пожнивных остатков, стеблей растений на поверхности полей,
почвозащитные севообороты, сокращение числа проходов сельскохозяйственных машин по полям.
Одной из самых трудоемких операций в бахчеводстве является уборка, затраты на её выполнение составляют до 50 % от общего объема затрат на возделывание. До настоящего времени эта операция выполняется вручную или с частичной механизацией.
В настоящей работе сделана попытка обеспечить механизацию всех технологических операций при уборке бахчевых культур до уровня 75...80%.
Представленные в диссертации материалы по совершенствованию технологии и технических средств уборки плодов бахчевых культур в неорошаемом земледелии являются итогом исследований автора, выполненных по «Программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук по заданию 09 «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства», а так же по «Программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 Российской сельскохозяйственной академии по заданию . 04.14 «Разработать высокоточные (прецизионные) экологически безопасные зональные технологии возделывания овощных и бахчевых культур с использованием новых сортов и гибридов, семян высокого качества, прогрессивных приемов агротехники, защиты растений, средств механизации».
Цель данных исследований заключается в совершенствовании технологии и средств механизации уборки плодов бахчевых культур, с
использованием разработанного подборщика - погрузчика при существенном снижении их повреждения.
Объекты исследований. Объектами исследований являлись: плоды и растения бахчевых культур, технологический процесс уборки плодов на продовольственные цели, включающий подбор плодов с поверхности земли и погрузку в транспортные средства, подборщик - погрузчик плодов.
В связи с этим научный поиск технических решений велся по трем направлениям:
- разработать агротехнические требования по обоснованию параметров
технологии механизированной уборки для многоцелевого использования;
создать подборщик - погрузчик плодов бахчевых культур для сплошной уборки;
обосновать основные параметры рабочих органов подборщика -погрузчика плодов на основе теоретических и экспериментальных исследований.
Предмет исследований. Технология уборки плодов бахчевых культур на продовольственные цели.
Методика исследований. Для достижения поставленной цели и решения актуальных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований.
Научная новизна заключается в
совершенствовании технологии механизированной уборки плодов бахчевых культур для многоцелевого использования;
создании и исследовании конструкции подборщика - погрузчика плодов, защищенной патентами на изобретения;
теоретическом и экспериментальном обосновании параметров подборщика - погрузчика с учетом физико-механических свойств плодов, растений и рельефа поверхности почвы;
технико-экономическом обосновании технологического процесса уборки плодов с использованием разработанной конструкции подборщика -погрузчика.
Практическую ценность имеют
Конструкция подборщика-погрузчика транспортного Типа.
Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров и режимов работы подборщика-погрузчика.
Агротехнические требования на подборщик-погрузчик плодов бахчевых культур для многоцелевого использования.
Предложений по использованию машин для уборки бахчевых культур, опубликованных в рецензируемых журналах.
Рекомендаций по применению подборщиков плодов бахчевых культур, представленных в 4 информационных листках и вестнике АПК Волгоградской области.
Объем и структура работы состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций производству, изложена на 130 страницах компьютерного текста, содержит 19 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 104 наименований, в т.ч. 11 на иностранном языке и приложения на 33 страницах.
Научные положения и основные результаты работы, выносимые на защиту.
Технология уборки плодов бахчевых культур для многоцелевого использования включающая:
Агротехническое обоснование технологии.
Исследование физико-механических свойств плодов.
Конструкцию подборщика - погрузчика плодов, обоснование его параметров.
Технико-экономические показатели технологии и конструкции подборщика - погрузчика.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и получили положительную оценку на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Калмыцкого государственного университета, Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии, Быковской бахчевой селекционной опытной станции, Всероссийском институте орошаемого овощеводства и бахчеводства, Прикаспийского НИИ аридного земледелия в 2003 ... 2006 годах.
Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в издании, указанном в «Перечне ... ВАК», получено 4 положительных решения о выдаче патента на изобретения. Общий объем публикаций составляет 1,6 п.л, из них 0,9 п.л. принадлежит автору.
Все основные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором лично. В проведении исследований принимали участие научные сотрудники лаборатории механизации бахчеводства Волгоградской ГСХА Абезин В.Г., Цепляев А.Н., Шапров М.Н., Бороменский В.П.
В работе использовались результаты исследований Цепляева А.Н., Егорова И.С., Емелина Б.Н., Малюкова В.И., Ракова Е.Ю., Стрекалова С.Д., Федорова В.А., Шапрова М.Н., Чабана Л.Н.
Обоснование конструкции подборщика плодов бахчевых культур
При проведении исследований нами разработано несколько конструкций подборщиков плодов, которые в большей степени отвечают агротехническим требованиям, предъявляемым к машине для уборки плодов бахчевых культур. Главнейшими требованиями к подборщикам плодов бахчевых культур являются повышение производительности и снижение травмирования.
Комплексная механизация, снижение травмирования при подборе и обеспечение возможности выбора только стандартных плодов достигается при использовании транспортерно-контурного подборщика (рис. 1.8).
Подборщик плодов бахчевых культур навешивается на трактор и включает раму в виде объемного параллелограмма, который охватывает цепочный контур, фиксируемый на звездочках. Цепочный контур, охватывает транспортерная лента, соединенная с цепочным контуром лопастями. Вкатыватели выполнены в виде ряда планок, опирающихся на колеса и закрепленные с помощью поводков к несущему брусу. В верхней части плодоподъемного контура размещен плодоприемник, на конце которого размещен укладчик плодов. Транспортная лента представляет собой сетку, ячеи которой обеспечивают захват только стандартных плодов. Для регулирования угла установки вкатывателей к направлению движения предусмотрены регулировочные растяжки. Привод плодоподъемного контура предусмотрен от мотор-редуктора. Подборщик работает следующим образом.
При движении подборщика плоды, лежащие на поверхности поля захватываются плодосдвигающей планкой и планками питателя, которые обеспечивают их подачу в нижнюю часть транспортной ленты, которая перемещается по поверхности поля со скоростью, равной поступательной скорости трактора. Это обеспечивает мотор-редуктор. Плоды, поступившие на плодоподъемный контур фиксируются лопастями, а травмирование плодов о стойку лопасти и от соударений предотвращается эластичной перегородкой. При перемещении плодоподъемного контура плоды поднимаются лопастями с поверхности земли к вершине плодоподъемного контура, высота которого обеспечивает возможность погрузки плодов в транспортные средства. Выпадение плодов с лопастей предотвращается наклоном плодоподъемного контура к горизонту в сторону противоположную направлению движения подборщика. Плоды, имеющие размер меньше стандартного проходят через отверстия ячеек транспортной ленты и остаются на поверхности бахчевого поля. Это значительно снижает затраты труда на сортировку плодов. При повороте лопасти на верхней звездочке цепного контура плод скатывается на плодоприемник, имеющий уклон к укладчику плодов, который обеспечивает укладку плодов в транспортное средство.
Разработанная конструкция подборщика позволяет производить подбор плодов с поверхности поля, отделение нестандартных плодов и погрузку стандартных плодов в транспортное средство. Использование двухстороннего вкатывателя и двухручьевого плодоподъемного контура позволяет значительно повысить производительность подборщика. К недостаткам подборщика относятся громоздкость конструкции и низкая эксплуатационная надежность, а также травмирование плодов вкатывателем. Анализ работы экспериментальных подборщиков показал, что все они имеют один существенный недостаток - сложность конструкции и высокую стоимость. Использовав достоинства этих подборщиков была разработана конструкция подборщика в значительной степени лишенная недостатков и имеющая минимальную стоимость. Эта конструкция принята нами для дальнейших исследований. Транспортный подборщик-погрузчик плодов бахчевых культур (рис. 1.9) включает трактор 1 на навесной системе 2, которого установлен плодоподъемный контур 3, который содержит раму 4, охватываемую замкнутым цепным контуром 5, установленным на звездочках 6, К цепному контуру закреплены лопасти 7. Лопасти 7 зафиксированы между цепным контуром 5 и охватывающим его транспортерным контуром 8. Рама 4 отклонена назад в противоположном движению подборщика направлении под углом 70 ... 80 к горизонту, а лопасти 7 расположены на раме 4 к цепному контуру 5 перпендикулярно. Цепной контур 5, охватываемый транспортерным контуром 8 с лопастями 7, представляет собой плодоподъемный контур.
Взаимодействие рабочих органов с плодами
Измерения размеров плодов производились с помощью кронциркуля с пределами измерения 0 ... 750 мм и точностью измерения 0,1 мм. Измерялись диаметр, высота и периметр каждого плода по наибольшему диаметру.
Для механизированной уборки важное значение имеет форма плодов, которая характеризуется индексом формы - отношением высоты плода по оси симметрии к его диаметру изменение индекса формы в меньшую или большую сторону от единицы увеличивает сопротивление плода перекатыванию и осложняет проведение механизированной уборки. Твердость почвы в горизонте 0 ... 5 см измерялась плотномером Ревякина. Критическая скорость воздействия на плоды определялась на разработанной нами установке, представленной на рис.32.1.
Установка состоит из предметного столика, установленного на основании, с возможностью изменения угла к горизонтальной плоскости. Основание закреплено на трех опорах, две из которых регулируются по высоте. На основании установлены две стойки, на одной из них смонтирован подпружиненный рычаг - державка, под которым крепится фиксирующая стрелка для определения высоты установки плода над столиком. Для проведения скоростной киносъемки параллельно стойкам устанавливался экран с координатной сеткой.
При проведении опытов установка опиралась на бетонное основание, а в полевых условиях на металлическую плиту, горизонтальность основания фиксировалась уровнем с микрометрической подачей ампулы (ГОСТ 11196-74). Опыты проводились следующим образом. Плоды предварительно определенного размера и массы сбрасывались на предметный столик с фиксированной высоты. Взаимодействие плода с плоскостью столика при ударе фиксировалось с помощью скоростной кинокамеры СКС-16М со скоростью протяжки киноленты 730 кадров в секунду, что обеспечивало возможность определения времени удара с допустимой ошибкой опыта. Величина ударного импульса измерялась тензодатчиками ІПКБ-15 с сопротивлением 100 Ом, наклеенными с обратной стороны предметного столика. Тарировка датчиков производилась с помощью гирь 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 кг. Запись получаемых величин производилась осциллографом Н-700.
После каждого опыта плод разрезался по центру пятна контакта и вычислялась его площадь, а также глубина распространения пластической деформации)
Коэффициенты трения покоя, качения и скольжения определялись на наклонной плоскости, коэффициент трения движения определялся с помощью работомера ДР-50 [49, 85], а пределы текучести материала коры и мякоти определялись прибором ОПТ-10.
Для определения коэффициента трения скольжения соединялись три плода с помощью спиц и укладывались на наклонную плоскость, как только начиналось скольжение плодов по соответствующему материалу отмечался угол, который и определял коэффициент трения скольжения.
Предел статического сжатия определялся на разработанной нами установке, представленной на рис. 3.2, которая включает металлическую плиту со стойками. Между короткими стойками на регулируемой по высоте оси предусмотрена прижимная планка, а между длинными стойками установлены блоки. Верхний блок имеет механизм фиксации и рукоятку. Блоки соединены металлическим троссиком, закрепленном к прижимной планке. Измерение сжимающих усилий производилось пружинным динамометром ДПУ-0,1 с пределами измерений 100 ... 1000 Н и ценой деления ЮН.
Для проведения опыта плоды укладывались на плиту и фиксировались планкой. Усилие сжатия фиксировалось динамометром через каждые 100 Н, а после усилия 400 Н через каждые 50 Н. После каждого воздействия на плод, начиная с 400 Н, плоды разрезались и замерялась глубина распространения пластической деформации и максимальная площадь контакта.
Оборудование, приспособление и приборы, использованные при проведении исследований
В качестве рабочего органа вкатывателя и валкообразователя использовалась косопоставленная к направлению движения планка [62], смонтированная на несущем брусе с помощью поводка и копирующего колеса (рис. 3.8). В качестве оценочного критерия - критерия оптимизации использовалось повреждение плодов.
Под понятием повреждение плодов использовалось определенное внешним осмотром заметные повреждения коры плодов (царапины, задиры, трещины), а также повреждения коры и мякоти без видимых нарушений поверхности коры (вдавливание, результаты ударного воздействия). Все виды повреждений учитывались равнозначно и суммировались. Для определения необходимой ширины планки несущий брус вкатывателя и валкообразователя устанавливался под углом 38 к направлению движения [62]. Ширина планки изменялась от 10 до 30 см (рис. 3.8). Планка относительно поверхности почвы устанавливалась вертикально. Чтобы предотвратить травмирование плодов другими рабочими органами, плоды после воздействия планок оставлялись в валке. После прохода валкообразователя длины гона 500 м производился осмотр плодов и их разделение на поврежденные и не поврежденные. Число поврежденных плодов в процентах относительно общего числа учтенных плодов характеризовало испытанную ширину планки. Высота установки планки над поверхностью почвы завит от гребнистости поверхности поля и высоты макронеровностей. Средняя высота неровностей на полях Быковского района Волгоградской области установлена равной 3,5 см [62] исходя из этого рекомендован зазор между нижним обрезом планки и почвой равным 3 ... 6 см [62]. Средняя высота макронеровностей на полях Кетченеровского района республики Калмыкия составляет 4,0 см, в этом случае высота планки может находиться в пределах 4,0... 8,0см. Однако, если принимать во внимание требования, что стандартным плод считается диаметром не менее 15 см, то высота установки планки должна быть не более 7,5 см при условии воздействия на плод в меридиональной плоскости. Экспериментальная проверка высоты установки планки приводилась в интервалах 1,0 ... 7,0 см. Результаты опыта проверялись после прохода агрегата 500 м. Угол установки планки к поверхности почвы определяет направление и точку приложения результирующей силы воздействия планки на плод. Схема воздействия планки на плод, имеющей наклон вперед представлена на рис. 3.9 для плодов максимального, среднего и минимального размера. Испытывались планки, установленные под углами 90, 80, 70, 60 и 50 к поверхности поля. Несущий брус и планки на нем устанавливались под углом 40 к направлению движения и плоды с поля скатывались в валок. После прохода агрегата 500 м плоды в валке сортировались на поврежденные и неповрежденные. По результатам строился график зависимости повреждения . плодов от угла установки планки к поверхности поля. Длина планки оказывает значительное влияние на возможность копирования вкатывателем рельефа поверхности поля и повреждение плодов. Увеличение длины планки ухудшает возможность копирования рельефа и увеличивается повреждаемость плодов. Для супесчаных почв Волгоградского Заволжья, характеризующихся средней величиной неровностей равной 3,5 см длина планки рекомендуется равной 0,6 ... 0,7 м [62]. В условиях Кетченеровского района республики Калмыкия, имеющих в . основном светло-каштановые и бурые полупустынные почвы с более тяжелым гранулометрическим составом, чем почвы Волгоградского Заволжья перемещение плодов по поверхности поля несколько облегчается, но увеличивается возможность травмирования плодов о твердые комочки почвы. Однако перекатывание плодов по поверхности такой почвы имеет меньшее сопротивление так как плотность почвы находится в пределах 1,40 ... 1,67 г/см. Обеспечение надежного копирования и снижение травмирования плодов необходимо обеспечить выбором оптимальной длины планки.
Размерно-весовая характеристика плодов-арбузов
Нами изучались три сорта плодов арбузов - Холодок, Быковский 22 и Роза Юго - Востока. Холодок имеет короткоэллиптическую форму плода средней массой 5,5 кг, отдельные плоды до 20 кг, окраска фона светло - зеленая с рисунком в виде темно - зеленых шиловидных полос средней ширины, изредка смыкающихся.
Мякоть плода интенсивно - ярко-розовая, плотнозернистая, сочная, сладкая. Содержание сухих веществ в соке плода 11 ... 12 % сумма Сахаров 9 ... 10 %. Сорт позднего срока созревания, вегетационный период 100 ... 115 дней, урожайность 30 ... 40 т/га, транспортабелен.
Быковский 22 имеет плод шаровидный, средний, сладкий массой 3 ... 14 кг с рисунком в виде узких зеленых слабошиповидных полос, кора средняя толщиной 1,0 ... 1,5 см гибкая, прочная. Мякоть ярко-розового цвета, зернистая сочная сладкая.
Сорт среднеспелый, вегетационный период 85 ... 90 дней, урожайность 25 ... 36 т/га, сухих веществ 1,0 ... 11,6 %, сумма Сахаров 8,3 ... 9,5 %. Транспортабельность хорошая. Роза Юго-Востока имеет шаровидный плод массой 3,0 ... 4,0 кг, рисунком - широкие темно-зеленые размытые полосы, почти закрывающие фон, мякоть карминно-красная, зернистая, сочная, сладкая, сухих веществ в соке плода 10 ... 13 %, сумма Сахаров 7,6 ... 9,6 %. Сорт среднеранний от всходов до созревания плодов 75 ... 85 дней, урожайность 20 ... 25 т/га. Транспортабельность средняя, лежность слабая. Плоды тыквы дают значительными размерами 290 ... 400 мм, весом 12 ... 25 кг и плотностью 0,93 ... 0,97 г/см и индексом формы 1,06 ... 1,04. Размерно-весовые показатели плодов арбузов варьируют в широких пределах, как по сортам, так и внутри отдельного сорта (рис. 4.1, 4.2). Коэффициент вариации данных показателей по некоторым сортам составляет 37 ... 45 %. Наиболее широкое варьирование плодов наблюдается в весовом отношении у сорта Холодок, индивидуальный вес которых варьирует от 1,3 кг до 11 кг, т.е. минимальный вес плодов меньше максимального в 8 раз. Из приведенных кривых следует, что наибольшей выравненностью плодов в размерно-весовом отношении обладает сорт Быковский 22, а наименьшей Холодок, поэтому при разработке конструкции подборщика необходимо учитывать данные показатели. Процесс подбора плодов с поверхности поля требует изучения показателей статического трения и углов качения по почве и конструкторским материалам. Рабочие поверхности вкатывателя должны обладать минимальным коэффициентом трения и обеспечивать перемещение плодов к плодоподъемному контуру перекатыванием без их травмирования. Планки плодоподъемного контура должны быть покрыты эластичным материалом и в тоже время захватывать и удерживать плоды. В таблице 4.1 приведены значения коэффициентов статического трения по различным материалам. Анализ данных коэффициентов трения показывает, что техническая резина, обладая достаточной прочностью, эластичностью и высоким коэффициентом трения может быть рекомендована для покрытия плодозахватных рабочих органов подборщиков. В то же время дерево, обладая минимальным коэффициентом трения, может быть использовано для покрытия планок вкатывателя. Значения углов качения изменяются в зависимости от материалов, на которых расположены плоды. Величина углов качения плодов по различным поверхностям зависят от формы, веса, размеров плода. При качении по деформирующимся опорным поверхностям паралона и почвы с увеличением веса плодов имеется тенденция к уменьшению углов качения. Данные свойства плодов должны найти отражение при разработке подираемых устройств бахчеуборочных машин. Экспериментально установлено, что арбузы в 4 ... 6 раз легче перекатываются по почве, чем сдвигаются. Результаты исследований Егорова И.С. [49], а так же наши исследования представленные графиками (рис. 4.3) подтверждают это.
