Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние сепарации почвенно-картофельного вороха элеваторами картофелеуборочных машин и задачи исследований 9
Анализ конструкций сепарирующих прутковых элеваторов 9
Анализ способов интенсификации сепарации на прутковых элеваторах 13
Анализ конструкций прутков 21
Анализ теоретических исследований по прутковым элеваторам 26
Цель и задачи исследований 35
Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров сепарирующего элеватора с комбинированными прутками 38
Конструктивно-технологическая схема элеватора с комбинированными прутками 38
Обоснование материала трубок комбинированных прутков 40
Обоснование шага расстановки комбинированных прутков 45
Исследование кинематических характеристик комбинированного прутка с учетом вращения трубки 49
Динамический анализ движения трубки комбинированного прутка по интенсификатору 61
Выводы 67
Программа и методика экспериментальных исследований 70
Программа лабораторных исследований 70
Установка и аппаратура для проведения лабораторных исследований 70
Методика лабораторных исследований 73
Методика исследования физико-механических свойств почвы, влияющих на работу комбинированного прутка 73
3.3.2 Методика исследования шага расстановки комбинированных прутков 76
3.3.3 Методика исследования профиля интенсификатора 80
3.4 Программа и методика полевых испытаний 82
3.5 Методика обработки опытных данных 87
4 Результаты экспериментальных исследований 92
4.1 Результаты лабораторных исследований 92
4.1.1 Результаты исследований физико-механических свойств почвы, влияющих на работу комбинированного прутка 92
4.1.2 Результаты исследований шага расстановки комбинированных прутков 106
4.1.3 Результаты исследований профиля интенсификатора 117
4.2 Результаты полевых исследований 120
Выводы 133
5 Экономическая эффективность внедрения предложенного сепарирующего рабочего органа 135
6 Общие выводы 143
Литература 146
Приложения
- Анализ конструкций сепарирующих прутковых элеваторов
- Конструктивно-технологическая схема элеватора с комбинированными прутками
- Программа лабораторных исследований
- Результаты лабораторных исследований
Введение к работе
Картофель является одной из важнейших продовольственных и сырьевых культур. Возделыванием его занимаются более 140 стран мира. В России в 2003 г. хозяйства всех категорий выращивали картофель на площади 3,23 млн. га, валовой сбор составил 32,87 млн. тонн, что превышает 10% мирового его производства.
В структуре посевных площадей картофель находится на третьем месте, после зерновых и кормовых культур.
Начиная с 1991 года до 2000 года наблюдалось снижение площадей, занятых под посадками картофеля. Так, в Рязанской области с 1991 по 2000 г. площади под картофелем снизились соответственно с 77.8 до 54.7 тыс. га.
Однако, начиная с 2001 года наблюдается тенденция к повышению площадей, занимаемых под картофель. Так, в Рязанской области под посадками картофеля было занято в 2001 году 55.3 тыс. га, а в 2003 году уже 57.5 тыс. га. Валовой сбор картофеля составил 653.3 тыс. тонн при урожайности 118 ц /га [109].
В Российской Федерации практически повсеместно производство картофеля концентрируется в частном секторе, преимущественно в личных хозяйствах населения, которые стали основными производителями товарной продукции.
Так, в Рязанской области сельхозпредприятиями было собрано в 2003 году только 32.3 тыс. тнн картофеля, а 621.8 тыс. тонн - хозяйствами населения [109].
Удельный вес хозяйств населения в посадках картофеля увеличился с 56% в 1991 году до 94.5 % в 2003 году. Площадь посадки картофеля в личных хозяйствах населения увеличилась с 43.7 тыс. га в 1991 году до 54.3 тыс. га в 2003 году. По сравнению с 1991 годом доля картофеля, выращенного населением, выросла с 66 до 95.2 % [109].
Число хозяйств, занимающихся выращиванием картофеля, постоянно сокращается. В 1991 году в Рязанской области картофель возделывали 326 сельхозпредприятий, в 1995 - 184, в 2000 году - 112, в 2003 году - 99 сельхозпредприятий [91,109].
Производство картофеля связано с большими энерго- и трудозатратами. При этом до 75% всех затрат приходится на заключительную стадию всего процесса - уборку урожая. Применение комбайнов позволяет сократить в 3-5 раз затраты труда на уборку картофеля, снизить на 30% потери урожая. Таким образом, подъем уровня механизации при производстве картофеля, основанный на внедрении усовершенствованных рабочих органов картофелеуборочных машин, будет способствовать более эффективному развитию одной из важнейших отраслей сельского хозяйства - картофелеводства.
Качественная уборка урожая картофеля зависит от конструкции рабочих органов картофелеуборочных машин, производительность которых определяется, главным образом, пропускной способностью сепарирующих устройств. Связано это с тем, что в процессе уборки через сепарирующие рабочие органы картофелеуборочных машин на каждом гектаре проходит до 1000 тонн почвы, из которой необходимо с минимальными повреждениями выделить клубни.
Исследованием процесса сепарации почвенно-картофельного вороха и разработкой сепарирующих устройств в разное время занимались Бышов Н.В., Верещагин Н.И., Виноградов В.И., Герасимов А.А., Горячкин В.П., Глухих С.А., Колчин ILIL, Кречко А.Ю., Кривогов Н.И., Кусов Т.Т., Кущев И.Е., Ма-цепуро М.Е., Пермякова А.С., Петров Г.Д., Прохорова М.Ф., Пшеченков К.А., Размыслович И.Р., Соклаков Ю.С., Сорокин А.А., Угланов МБ,, Успенский И.А., Фирсов Н.В., Фурлетов В.М., Хвостов В.А., Цециновский В.М. и др. [20, 21, 22, 23, 30, 31, 35, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 58, 59, 69, 70, 71, 75, 76, 84, 93, 94, 95,96,97,99,100, 101,103, 104, 105,106, 107,111, 112,114,115, 116, 118].
На современном уровне развития сельскохозяйственной картофелеуборочной техники наиболее перспективными являются прутковые элеваторы. При транспортировке почвенно-картофельного вороха полотном элеватора часть примесей и почва просеиваются в просветы между прутками, а клубни, почвенные комки и камни выносятся за пределы рабочего органа.
При высокой агротехнике возделывания картофеля прутковые элеваторы по данным Виноградова В.И., Глухих Е.А., Сорокина А.А и др. [35, 39, 104, 105, 106, 107] способны выделить из почвенно-картофельного вороха до 89% почвы при ее влажности до 23 %.
Анализ конструкций сепарирующих прутковых элеваторов
Насколько качественно и в оптимальные агротехнические сроки будет произведена уборка урожая картофеля при механизированной технологии зависит от работы картофелеуборочных машин, которые осуществляют отделение (сепарацию) почвы и иных примесей от клубней. Сепарирующие рабочие органы должны эффективно разделять поступающую от лемехов подкопанную клубнесодержащую массу, обычно включающую 95.5-98.5% почвы; 1-2 % клубней и 0.5-2.5% ботвы и других растительных примесей. Чистота вороха при этом должна быть не менее 80 %.
Уборку картофеля в зависимости от погодных условий осуществляют прямым комбайнироваиием, комбинированным или раздельным способами. В нашей стране применяют картофелекопатели Л-652, КСТ-1,4, КТН-2В, прицепные трехрядные комбайны КПК-3, картофелеуборочные комбайны КПК-2.01, ЮСУ-2А, высокопроизводительные комбайны AVR-220B, AVR-Шрестиж», DR-1500 («Гримме»), «Хатедорн», «Трестер», «Нивеннэр и др.
Разновидности современных картофелеуборочных комбайнов образовались
в результате сочетания в различных вариантах относительно небольшого коли чества сепарирующих и вспомогательных органов, предназначенных для вы полнения основных технологических операций: подкопа клубней, отделение их от ботвы, почвы и растительных примесей, отделение камней и почвенных комков.
Анализ исследований по вопросу сепарации в картофелеуборочных машинах показывает, что совершенствованию процесса сепарации и развитию конструкций рабочих органов для выделения почвенных примесей уделено большое внимание со стороны отечественных и зарубежных ученых. На основании этих исследований создано немалое количество органов сепарации. В большинстве своем это отделители механического, пневмомеханического и гидравлического принципа действия [22].
Однако пневмомеханические и гидравлические сепарирующие рабочие органы практически не применимы в передвижной уборочной технике, несмотря на простоту конструкции и высокое качество очистки вороха, из-за неэкономичности, высоких затрат энергии и шума. Поэтому в настоящее время предпочтение отдается различным типам сепарирующих рабочих органов механического принципа действия.
Классификация сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин механического принципа действия приведена на рисунке 1.1 [22].
Все сепарирующие рабочие органы механического принципа действия можно разделить по следующим признакам: - осуществляющие просевную сепарацию; - осуществляющие выносную сепарацию; - комбинированные.
В картофелеуборочных машинах в основном применяются рабочие органы, осуществляющие просевную сепарацию, которые, в свою очередь, можно подразделить на транспортирующие, ротационные и центробежные.
В транспортирующих рабочих органах сепарация осуществляется с помощью сеток, грохотов, ремней или прутков. Прутки могут быть простые и комбинированные.
Ротационные сепарирующие рабочие органы могут быть симметричные и несимметричные, а центробежные - кольцевые или дуговые с прутковым элеватором, в свою очередь, кольцевые бывают конические или цилиндрические.
В настоящее время известно большое количество различных конструкций прутковых элеваторов, в том числе и комбинированных. В отличие от простых элеваторов у комбинированных над прутковым полотном расположен поддерживающий транспортер, что позволяет выполнить элеватор с переменным уг Сепарирующие рабочие органы механического принципа действия
Основным рабочим элементом пруткового элеватора является сепарирующее полотно. Наиболее просты по конструкции полотна с крючковыми тяговыми элементами. Концы прутков у таких полотен загнуты, образуя крючки. Посредством крючков прутки соединяются между собой. Преимуществом таких полотен является то, что звездочки и прутки не требуют механической обработки.
Существенным недостатком этих полотен является быстрый износ. В частности, на суглинистых почвах прутковый элеватор крючкового типа может отработать до полного изнашивания 30...40 га, на песчаной 20-30 га [31, 46, 95].
Полотна с цепными тяговыми элементами изготовлены на базе стандартной втулочно-роликовой цепи, в конструкцию которой могут быть добавлены специальные втулки и пластины, повышающие износостойкость и прочность. К преимуществам таких полотен можно отнести небольшую массу колодки соединения прутков и возможность изготовления из нормализованных деталей цепи и звездочек. Износостойкость полотен на цепных тяговых элементах несколько выше, чем у крючковых. Поэтому использование сепараторов с полотном данного типа целесообразно только в качестве вторых элеваторов.
Кроме того, все сепарирующие устройства, применяемые в настоящее время, можно разделить на две основные группы [12]: 1) устройства для отделения клубней от прочных почвенных комков, близких им по размерам; 2) устройства для отделения клубней от сухой, мелкой, сыпучей почвы, работающие по принципу просеивания почвы через сита, решета и другие элементы. В настоящее время на многих отечественных картофелеуборочных машинах, таких как КПК-2-01, КПК-3, КТН-2В, ККУ-2А и других широкое распространение получили элеваторы, имеющие полотна с гибкими тяговыми элемен 13 тами. Полотна этих элеваторов смонтированы на плоских прорезиненных ремнях и с точки зрения долговечности и надежности наиболее перспективны по сравнению с крючковыми и цепными, т.к. в этих конструкциях полностью исключены шарниры, обладающие трением скольжения. Однако у этих элеваторов интенсивное изнашивание происходит в местах контакта звездочек элеватора с прутками полотна. Чтобы снизить указанный недостаток в последние годы наметилась тенденция использования в прутковых элеваторах полотен на зубчатых ремнях, а в качестве ведущего и ведомого элементов - зубчатых барабанов. Вместе с тем срок службы этих элеваторов ниже, чем у элеваторов с приводными звездочками.
Конструктивно-технологическая схема элеватора с комбинированными прутками
Па основании сравнительного анализа технических решений можно сделать вывод о том, что развитие сепарирующих элеваторов картофелеуборочных машин должно идти по пути модернизации конструкции интенсификаторов и защитных покрытий прутков, оказывающих дополнительное разрушающее воздействие на почвенно-картофельный ворох без увеличения степени повреждения клубней картофеля и снижения залипання прутков.
С этой целью нами предложено изменить конструкцию пруткового элеватора путем установки на прутки с зазором быстросъемных трубок из полиэтилена с продольным винтовым разрезом (свидетельство на полезную модель № 30488), а под рабочую ветвь полотна - интенсификатора профиля полуокружности с прямолинейной вставкой, жестко закрепленного на опорной раме.
Элеватор включает сепарирующее полотно, состоящее из гибких тяговых элементов 1 и поперечных прутков 2, закрепленных на одинаковом расстоянии, на которые с радиальным зазором установлены через один быстросъемные трубки 3, а также установленные под ним интенсификаторы 4 профиля полуок ружности с прямолинейной вставкой, жестко закрепленные на опорной раме 5, ведущие 6 и ведомые роликов 7,8. Быстросъемные трубки выполнены с продольным винтовым разрезом с шагом винта 0.55 м. Радиальный зазор позволяет трубке 3 свободно перемещаться относительно прутка 2 в радиальном направлении, а также вращаться вокруг него.
Элеватор работает следующим образом. При движении полотна с почвен-но-картофельным ворохом трубки 3 взаимодействуют с интенсификатором 4. В процессе движения комбинированного прутка по интенсификатору 4 трубка 3 перемещается относительно прутка 2 со значительными нормальными ускорениями, кроме того, при движении по прямолинейному участку интенсификато-ра трубка несколько раз проворачивается вокруг прутка.
Воздействие на клубненосный пласт оказывается непосредственно трубками 3 комбинированных прутков. Частота воздействий определяется ускорением трубки комбинированного прутка и должна обеспечивать необходимую сепарацию почвы с минимальными повреждениями клубней. Перемещение трубки ограничивается ее внутренним диаметром, определяет ее скорость и должна обеспечивать переориентацию компонентов почвенно-картофельного вороха, что способствует увеличению сепарации.
Использование в конструкции сепарирующего элеватора с комбинированными прутками интенсификатора 4 профиля полуокружности с прямолинейной вставкой увеличивает вращение трубки, скорость сепарирования почвы в зазоре между прутками и снижает залипание прутков влажной почвой. Благодаря винтовому разрезу происходит вынос почвы из радиальных зазоров, самоочистка комбинированных прутков и появляется возможность быстрой замены трубок комбинированных прутков в случае необходимости.
Программа лабораторных исследований
В ходе предшествующих исследований процесса сепарации почвенно-картофельного вороха было установлено влияние скорости полотна элеватора, диаметра трубки комбинированного прутка, усилий, действующих на пруток, на просеиваемость почвы [21,23,95,103].
Для определения влияния конструктивных и кинематических пара-метров предложенного элеватора на его рабочий процесс на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» Рязанской государственной сельскохозяйственной академии проводились лабораторные исследования. Программа лабораторных исследований включала следующие основ ные направления: - исследование физико-механических свойств почвы (липкости, коэф фициента трения), влияющих на процесс сепарации на элеваторе с комбинированными прутками; - исследование влияния шага расстановки и диаметра комбинирован-ных прутков на технологический процесс элеватора; - исследование профиля интенсификатора на работу комбинированного прутка. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры «Теоретическая и прикладная механика» РГСХА.
Для исследований применялась лабораторная установка, общий вид которой представлен на рисунке 3.1, 1-рама; 2 - опорный брус; 3 - прутки. Рисунок 3.1. Общий вид лабораторной установки для исследования работы элеватора с комбинированными прутками.
На прутки 3 элеватора через один с зазором установлены быстросъем-ные трубки из полиэтилена высокого давления (ГОСТ 18599-2001) внутренним диаметром 0.015, 0.021, 0.026 м, наружным диаметром соответственно 0.020, 0.025 и 0.030 м. Модель лабораторного элеватора имеет приводную лебедку.
Для определения коэффициента трения почвы о различный материал рабочих органов элеватора использовался прибор (рисунок 3.3), состоящий из горизонтальной плиты 1, наклоненной плоскости 2, на которой крепится испытуемая поверхность 3. Определялся коэффициент трения почвы влажностью 11, 17, 25 % о различный материал прутков: сталь 65Г, резину листовую техническую, полиэтилен. Кроме того, определялся коэффициент трения между различными материалами рабочих органов: сталь и полиэтилен, полиэтилен и резина, сталь и фторопласт.
Коэффициент трения определялся как tg а — угла наклона плоскости 2, на которой располагалась поверхность 3 из испытуемого материала и почва различной влажности, либо две заготовки из различных материалов.
Для определения липкости почвы различной влажности на процесс сепарации применялась установка, общий вид которой представлен на рисунке 3.4. Установка состоит из стойки 1, стакана 2 для почвы, двуплечего рычага 3, сменного штампа 4, чашек 5 и 6 для установки грузов. р В стакан 2 с влажной почвой опускался штамп 4 из различного мате риала (сталь 65 Г, резина, полиэтилен, фторопласт). Штамп прижимался к почве посредством грузов, устанавливаемых в чашке 5, выдерживался в течение трех минут, затем в чашку 6 постепенно устанавливались грузы, в момент отрыва штампа от почвы подсчитывался вес грузов в чашке 6. Затем определялась липкость почвы как отношение усилия отрыва к площади штампа.
Многолетний опыт исследований, испытаний и эксплуатации карто w фелеуборочных машин показывает, что качество их работы и производи тельность в большой степени зависят от почвенно-климатических условий. Почвы различных сельскохозяйственных зон России чрезвычайно многообразны, даже в пределах одной зоны, области и района могут быть почвы, резко отличающиеся по типу и свойствам. Непостоянство свойств почвы приводит к резким колебаниям качественных и технико-экономических показателей, характеризующих работу картофелеуборочных комбайнов.
Значительное влияние на процесс сепарации оказывает липкость почвы, которая в свою очередь напрямую зависит от влажности почвы [95, 108].
В воздушно-сухом состоянии почвы не липки; с некоторого значения влажности у них начинает проявляться липкость, которая с увеличением влажности быстро растет; достигая максимального значения [95].
Результаты лабораторных исследований
Для исследования влияния липкости почвы на работу комбинированных прутков была проведена серия опытов. В опытах использовалась лабораторная установка (рисунок 3.3). При проведении опытов использовались штампы из различного мате риала: сталь 65 Г, резина листовая техническая, фторопласт, полиэтилен. Для сравнительных опытов использовалась почва различной влажности: 17, 20, 23, 30, 40%. Штамп прижимался к почве в течение трех минут при помощи грузов. После чего определялось усилие отрыва штампа от почвы. f Результаты опытов представлены в таблице 4.1. По результатам опытов построены графики, изображенные на рисунках 4.1,4.2,4.3,4.4. Анализ графиков показывает, что для рабочих органов, выполненных из стали и резины, с увеличением удельного давления от 8,1 до 20,4 кПа для почвы влажностью 17% липкость почвы почти не изменяется, при дальней шем увеличении удельного давления липкость почвы резко возрастает от 2,0 : до 8,0 кПа. Для почвы влажности 17 и 23% липкость резко возрастает с уве личением удельного давления. Для рабочих органов, выполненных из полиэтилена высокого давления липкость почвы влажностью 17% практически не изменяется с увеличением удельного давления; для почвы влажностью 20% липкость изменяется от 2.6 до 12.0 кПа и влажностью 23% - от 3.6 до 21.0 кПа при изменении удельного давления от 8.1 до 57.0 кПа, что меньше, чем для рабочих органов, выпол , ненных из стали и резины.
Для фторопласта при влажности почвы 17% липкость не изменяется в зависимости от удельного давления и составляет около 1.2 кПа. При влажности почвы 23 % липкость возрастает по кривой, изображенной на рисунке 4.4 и при изменении удельного давления от 8,1 до 57,0 кПа меняется от 2.3 до 8.2 кПа. С увеличением влажности почвы до 40 % липкость снова не изменяется в зависимости от удельного давления и составляет около 7.2 кПа.
Таким образом, наименьшей липкостью обладает фторопласт. Для исследования влияния коэффициента трения почвы различной относительной влажности о различный материал рабочих органов и коэффициента трения между различными материалами рабочих органов была проведена серия опытов. В опытах использовалась лабораторная установка (рисунок 3.4).
Определялся коэффициент трения почвы влажностью от 10 до 25% о различный материал прутков: сталь 65 Г, резину листовую техническую, полиэтилен, фторопласт. Результаты опытов представлены в таблице 4.2. Кроме того, определялся коэффициент трения между различными материалами рабочих органов: сталь и полиэтилен, полиэтилен и резина, сталь и фторопласт. Результаты опытов представлены в таблице 4.3.
По результатам опытов построены графики (рисунок 4.5). Анализ графиков на рисунке 4.5 показывает, что коэффициент трения почвы влажностью от 11 до 17% о материал трубок комбинированных прутков по резине изменяется от 0.47 до 0.62; влажностью от 17 до 23% от 0.62 до 0.66. Коэффициент трения почвы влажностью от 11 до 17% по стали меняется от 0.44 до 0.59; влажностью от 17 до 23% - от 0.59 до 0.71. Коэффициент трения почвы влажностью от 11 до 17% по полиэтилену меняется от 0.36 до 0.55; влажностью от 17 до 23% - от 0.55 до 0.6. Коэффициент трения почвы влажностью от 11 до 17 % по фторопласту меняется от 0.37 до 0.51; влажностью от 17 до 23 % - от 0.51 до 0.56. Коэффициент трения между различными материалами рабочих органов составил: а) полиэтилен - сталь - 0.4 - 0.42; б) полиэтилен - резина - 0.4 -0.5; в) сталь - фторопласт - 0.38 - 0.4. Таким образом, в результате полученных данных можно сделать вывод о том, что наименьшее влияние липкость почвы будет оказывать на защитное покрытие из фторопласта и полиэтилена. Кроме того, фторопластовое и по лиэтиленовое защитные покрытия обладают наименьшим коэффициентом трения в сравнении с защитным покрытием, выполненным из стали и резины. Однако с учетом незначительных различий этих показателей и того, что кон струкция защитного покрытия, выполненного из фторопласта имеет более высокую стоимость, рекомендуется к применению конструкция защитного покрытия, выполненного из полиэтилена.
Для оценки комплексного влияния определяющих факторов на критерий оптимизации проводился многофакторный эксперимент З3 по ротота-бельному плану Бокса-Бенкина. Исследовались зависимости потерь клубней и сепарации почвы на по лотне элеватора от следующих факторов: - наружного диаметра трубки комбинированного прутка; - шага расстановки комбинированных прутков; - влажности почвы. В опытах использовалась установка, представленная на рисунке 3.1. Под рабочую зону ее полотна устанавливались металлические лотки и уста 107 навливался опорный брус, на котором крепился интенсификатор профиля полуокружности с прямолинейной вставкой длиной 0,15 м. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 3.2. Расчеты производились в программе для 3BM-STATISTICA-V6.
