Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологий возделывания и уборки картофеля, рабочих процессов уборочных машин и контроля качества во время уборки картофеля 15
1.1 Анализ технологий возделывания картофеля 15
1.2 Анализ конструктивных особенностей картофелеуборочных машин 22
1.3 Анализ конструкций рабочих органов картофелеуборочных машин 35
1.4 Анализ физико-механических свойств почвы и клубней картофеля 53
1.5 Анализ выполненных исследований по подкапыванию и сепарации почвенного пласта 67
Заключение 79
2 Проблема механизированной уборки картофеля в сложных полевых условиях 81
2.1 Модель комбайновой технологии уборки картофеля 86
2.2 Постановка научной проблемы. Цель работы и задачи исследований 93
3 Исследование активных подкапывающих рабочих органов 97
3.1 Теоретическое обоснование конструкции подкапывающих рабочих органов 97
3.2 Программа и методики экспериментальных исследований активных подкапывающих рабочих органов 108
3.2.1 Методика проведения лабораторных исследований Установка и аппаратура для проведения экспериментальных исследований 109
3.2.2 Методика полевых исследований картофелеуборочных машин с экспериментальными подкапывающими органами 114
3.3 Результаты лабораторных исследований экспериментального подкапывающего рабочего органа 118
3.4 Результаты полевых исследований картофелеуборочных машин с экспериментальными подкапывающими органами 125
Выводы 130
4 Исследование активных сепарирующих рабочих органов с комбинированными прутками 131
4.1 Конструктивно-технологическая схема сепарирующего элеватора с «бегущими» каскадами 131
4.2 Исследование процесса сепарации с учетом фракционного состава вороха 134
4.3 Теоретические исследования комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 139
4.4 Моделирование кинематики трубки комбинированного прутка 147
4.5 Исследование взаимодействия комбинированного прутка с активатором. 155
4.6 Теоретическое обоснование шага расстановки комбинированных прутков 161
4.7 Программа и методики экспериментальных исследований активных сепарирующих рабочих органов 165
4.7.1 Методика лабораторных исследований активных сепарирующих рабочих органов. Описание лабораторной установки 166
4.7.2 Методика исследования частоты вращения трубок комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 171
4.7.3 Методика исследования интенсивности сепарации на элеваторе с «бегущими» каскадами 174
4.7.4 Методика исследования шага расстановки и параметров комбинированных прутков на потери сепарирующего элеватора 177
4.7.5 Методика исследования влияния размеров частиц почвы на их сепарируемость 180
4.7.6 Методика исследования картофелеуборочных машин, оборудованных сепарирующим элеватором с комбинированными прутками в полевых условиях 181
4.8 Результаты лабораторных исследований сепарирующего элеватора с комбинированными прутками 184
4.8.1 Результаты исследования кинематики трубок комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 184
4.8.2 Результаты исследования сепарирующей способности элеватора с «бегущими» каскадами при различных режимах интенсификации 189
4.8.3 Результаты исследований шага расстановки комбинированных прутков 195
4.9 Результаты полевых экспериментальных исследований 197
4.9.1 Результаты исследования влияния размеров частиц почвы на сепарируемость почвы в картофелеуборочных комбайнах 197
4.9.2 Результаты полевых исследований картофелеуборочных машин, оборудованных экспериментальным элеватором с комбинированными прутками 199
Выводы 208
5 Исследование способа и технических средств определения внутренних повреждений клубней методом наложения давления в жидкости 211
5.1 Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы прибора оперативного контроля повреждения клубней картофеля 217
5.2 Программа исследований повреждённых клубней картофеля в приборе оперативного контроля 225
5.2.1 Методика исследования повреждаемости клубней картофеля на маятниковом копре 226
5.2.2 Методика определения зависимостей относительной объёмной деформации клубней картофеля различных сортов от действующего на них избыточного давления 232
5.2.3 Методика определения оптимального рабочего давления прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля 237
5.2.4 Методика определения зависимости относительной объёмной деформации клубней картофеля от степени их механического повреждения 238
5.2.5 Методика исследования повреждений клубней картофеля на рабочих органах комбайна КІЖ-2.01 с помощью прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля 241 5.3 Результаты экспериментальных исследований повреждаемости клубней картофеля 247
5.3.1 Результаты лабораторных исследований повреждаемости клубней картофеля на маятниковом копре 247
5.3.2 Результаты лабораторных исследований относительной деформации клубней картофеля на приборе оперативного контроля повреждений 252
5.3.3 Результаты полевых исследований повреждений картофеля с использованием прибора оперативного контроля повреждений 258
Выводы 262
6 Исследование устройства контроля технологического процесса картофелеуборочных машин 264
6.1. Конструктивная схема устройства контроля работы пруткового элеватора по просеву почвы 264
6.2 Теоретическое обоснование установки датчика контроля сепарации под элеватором 266
6.3 Программа и методики экспериментальных исследований устройства контроля сепарирующего элеватора 270
6.3.1 Описание лабораторной установки 271
6.3.2 Методика лабораторных исследований интенсивности сепарации пруткового элеватора с помощью устройства контроля 272
6.3.3 Методика определения качественных показателей работы картофелеуборочных машин 275
6.4 Результаты исследования влияния интенсивности сепарации прутковом элеваторе на показания устройства контроля 278
6.5 Результаты исследования влияния оптимальной загрузки рабочих органов на качественные показатели работы картофелеуборочных комбайнов 280
Выводы 284
7 Организационно-экономические аспекты технологии уборки картофеля с применением активных рабочих органов и оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин 286
7.1 Теоретические основы технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин 286
7.2 Методика настройки картофелеуборочной машины с учётом оперативного контроля качества уборки картофеля 291
7.3 Результаты внедрения технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин 298
7.4 Экономическая эффективность технологии уборки картофеля с применением активных рабочих органов и оперативным контролем качества работы уборочных машин 311
Выводы 329
Общие выводы 331
Литература 336
Приложения 361
- Анализ конструктивных особенностей картофелеуборочных машин
- Результаты лабораторных исследований экспериментального подкапывающего рабочего органа
- Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы прибора оперативного контроля повреждения клубней картофеля
- Результаты внедрения технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин
Введение к работе
Актуальность темы. В мировом производстве картофеля задействовано около 18 млн. га посадочных площадей. Свыше 40% мирового производства сосредоточено в Китае, Индии и России. В Российской Федерации в 2009 году картофель выращивали на площади 2,2 млн. га, валовой сбор составил 31,1 млн. т при средней урожайности 14,1 т/га.
Принятая в Рязанской области региональная программа «Картофель» на 2009-2012 годы дала импульс развитию картофелеводства. В 2009 году в сельхозпредприятиях и крестьянских фермерских хозяйствах Рязанской области картофель был размещен на площади 5,6 тыс. га (плюс 2,1 тыс. га к 2008 году). В этих хозяйствах собрано 126,4 тыс. тонн, урожайность составила 23,81 т/га. Во всех категориях хозяйств собрано 450,3 тыс. тонн картофеля (плюс 66,7 тыс. тонн к 2008 году).
При уборке картофеля в дождливую и холодную погоду и при невызревших клубнях, наносятся значительные механические повреждения - нередко до 40-60% и более, в связи, с чем снижается его качество и лежкость при хранении. Даже при удовлетворительных условиях потери урожая картофеля достигают 25-30%. Из них при механизированной уборке – до 13 %, при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке – до 5-9 %, и при хранении и сортировке – до 7-10%.
Цель исследований. Повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.
Объект исследований. Технологии производства картофеля, картофелеуборочные машины и их рабочие органы, свойства компонентов картофельного вороха, способы оперативного контроля качества уборки картофеля.
Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов рабочих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля.
Методика исследования. Теоретический анализ работы подкапывающих и сепарирующих рабочих органов и способов контроля качества уборки картофеля проведены с использованием методов теории вероятностей и механико-математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием частных и отраслевых методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. При обработке результатов исследований использовалась программа «STATISTICA». Оценка полевых испытаний картофелеуборочных машин и способов контроля повреждений клубней картофеля проводилась согласно ОСТ 10.8.5 -87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методика испытаний».
Научная новизна работы представлена: совокупностью технологических приемов, образующих технологию уборки картофеля в сложных полевых условиях, включающую подкапывание клубненосного пласта с применением приводных подкапывающих рабочих органов; сепарацию с применением элеваторов, оснащенных активными прутками и активаторами; систему оперативного контроля технологического процесса картофелеуборочных машин, включающую способ и прибор оперативного определения повреждений клубней, устройство поддержания загрузки элеватора. Научная новизна обеспечена: теоретическими и экспериментальными моделями энергозатрат подкапывающего рабочего органа; вероятностной моделью процесса сепарации почвы на прутковом элеваторе, учитывающей фракционный состав картофельного вороха; теоретической моделью кинематики и динамики активных прутков элеватора с «бегущими каскадами»; теоретическим обоснованием способа и прибора для контроля повреждений картофеля методом повышения давления; аналитическими выражениями для установки датчиков контроля просева почвы прутковым элеватором. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение №1813344, №2042307, №2147121, №2164738, №2212779, №2243556, №2350066, и на полезную модель №13595, № 23989, № 30488, №79009, №81031, №90229.
Практическая ценность работы. Разработана технология уборки картофеля, которая позволяет повысить работоспособность картофелеуборочных машин в сложных полевых условиях и обеспечить высокое качество убранного урожая, низкие повреждения и потери картофеля. Результаты исследований нашли практическое применение в модернизированных картофелекопателях КТН-2В, КСТ-1,4, копателях-погрузчиках Е-684 и картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01 и DR-1500.
Производственная проверка показала эффективность технологии уборки картофеля с применением инновационных решений в конструкции и настройке и поддержании режимов уборочных машин.
Реализация результатов исследований. Модернизированные картофелеуборочные машины прошли хозяйственные испытания и внедрены в хозяйствах Рязанского, Спасского и Михайловского районов Рязанской области.
Материалы исследований были переданы ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля, ОАО «Фирма «Комбайн»», используются в учебном процессе инженерного факультета ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» и ряде других вузов.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждались на научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1994 г.), Чувашской ГСХА (1998 г.), межрегиональной научной конференции Мичуринского аграрного университета (2000 г.), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2002, Рязанского государственного агротехнологического университета (1994…2010 г.), на Вавиловских чтениях – 2010(г. Саратов).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 53 печатных работ, в том числе: 8 статей по списку ВАК и 13 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, семи разделов, общих выводов, списка литературы из 251 наименований и приложений. Работа изложена на 462 страницах, из которых 334 страницы – основной текст, содержит 33 таблиц и 120 рисунков.
Анализ конструктивных особенностей картофелеуборочных машин
Картофелекопатели широко распространены в хозяйствах РФ, благодаря дешевизне и возможности применения в тяжелых почвенно-климатических условиях, на малых участках. Технологические процессы копатели просеивающего типа включают одинаковые операции: подкоп клубненосного пласта, его сепарацию и укладку картофеля на просеянную почву [227]. Наиболее известными марками копателей являются КТН-2В (рис.1), КСТ-1,4А (рис. 2), их модификации имеют некоторые отличия Л -652 (рис. 3) - активный битер после лемеха, ККЭ-2М (рис. 4) - измененные подкапывающую часть с двухсекционным лемехом и отрезающими дисками и конструкцию сепарирующего элеватора .
Анализируя технологический процесс копателей просеивающего типа, следует отметить общие недостатки свойственные копателям — это сгруживание плата на подкапывающих рабочих органах, недостаточная сепарация почвы и как следствие потери клубней, залипание прутков почвой при повышенной влажности и большие повреждения клубней при низкой влажности почвы. Картофелекопатель КСТ— 1,4А с активным (колеблющимся) лемехом и трехкаскадным элеватором обладает повышенной технологической надежностью, однако значительно травмирует клубни, особенно на переходах с одного элеватора на другой.
Рассмотрим более подробно технологический процесс картофелекопателя Л - 652 (рис. 3). При движении агрегата по полю лемеха 2 подкапывает две смежные грядки. На Л - 652 совместно с лемехом 2 работает битер 2. Клубненосный пласт подается на основной элеватор 3, который движется с большей скоростью, приблизительно в 1,3... 1,6 раза, чем скорость копателя, поэтому поступающий ворох частично разделяется и измельчается. Под рабочей ветвью элеватора 3 находятся встряхиватели (не показаны), предназначенные для интенсификации сепарации почвенных примесей.
После отделения основной массы почвенных примесей на основном сепарирующем элеваторе 3, процесс разрушения и сепарации почвенных комков продолжается на дополнительных сепарирующих элеваторах 4 после чего клубни сбрасываются на поле и собираются в ручную вспомогательными рабочими.
На картофелекопателях Л - 652 (рис. 3) КСТ-1,4А (рис.2), а так же на КТН-2В (рис.1) установлена гребенка 5 для сужения схода потока клубней на поле и увеличения полноты их отделения от ботвы. Применение вертикальных отрезающих дисков у копателей ККЭ-2М и ККЭ-2 (рис.4), уменьшает захват почвы из междурядий, снижает вероятность сгруживания почвы и потери клубней [185,222], по сравнению с копателями КСТ-1,4А (рис.2) и КТН-2В (рисЛ), у которых имеются пассивные боковины 1. На серийных копателях ККЭ-2М применяются вертикальные пассивные диски.
При работе в тяжелых условиях (чернозем, тяжелый суглинок, повышенная влажность) и высоких скоростях, эффективность работы пассивных дисков снижается, что приводит к временному увеличению тягового сопротивления и возрастает вероятность сгруживания вороха на подкапывающих рабочих органах копателя. Одним из возможных решений этой проблемы является использование активного привода дисков [162,181,221,230].
Копатели-погрузчики в отличие от картофелекопателей, имеют большую сепарирующую поверхность, ботвоудаляющие органы, и транспортер для выгрузки собранных клубней в рядом идущее транспортное средство, поэтому в среднем они стоят дороже чем копатели, но дешевле, чем комбайны.
Самой высокопроизводительной картофелеуборочной машиной за всю историю отечественного сельхозмашиностроения, являлся четырехрядный самоходный копатель-погрузчик КСК-4-1, годовая загрузка которого на легких и средних почвах достигала 100 га.
Конструкция самоходного четырехрядного копателя—погрузчика КСК-4-1 (рис.5), включала рабочие органы для выкапывания клубней картофеля, отделения их от почвы, удаления ботвы, растительных и других примесей, а так же устройство для выгрузки корнеклубнеплодов в рядом идущее транспортное средство. Трудности контроля технологического процесса присущие сложным и самоходным картофелеуборочным машинам, где отсутствует визуальный контроль основных рабочих органов комбайна, обусловили, что основные работы по системам контроля и автоматики в нашей стране проводились на самоходном копателе-погрузчике КСК-4-1. По оценкам экспертов, применение самоходных комбайнов для уборки картофеля в большинстве хозяйств России не окупает себя ввиду короткого периода уборки [206,218].
В РФ в настоящее время серийный выпуск машин КСК-4-1 и других ее модификаций не ведется. В отечественных хозяйствах, на сегодня, в основном эксплуатируются морально устаревшие копатели-погрузчики, произведенные еще в ГДР, а так же единичные экземпляры современных импортных уборочных агрегатов. В странах ЕС, Северной Америки (США, Канаде) широко используются при уборке картофеля копатели-погрузчики, выпуск которых давно налажен зарубежной промышленностью [184,185,221,222]. Копатели-погрузчики являются наиболее высокопроизводительными уборочными машинами. При использовании копателей-погрузчиков значительно снижаются трудозатраты на уборку, в сравнении с копателями. В то же время, возрастают дополнительные трудозатраты, связанные с послеуборочной доочисткой клубней.
Зарубежные картофелекопатели-погрузчики, имеют, в основном, классическую компоновку рабочих органов: подкапывающая часть (катки, лемех и боковые отрезные диски), один или несколько сепарирующих элеваторов, один или несколько ботвоудалителей с ботвоподводящей гребенкой и отрывным валиком, продольная горка и выгрузной транспортер [50,183,184].
С точки зрения конструктивно-технологических решений, характерным примером таких машин могут служить одни из самых современных зарубежных копателей-погрузчиков [222,226] - «Kverneland» UN 2212 и «Grimrne» GZ-1700 DL.
Копатель-погрузчик «Kverneland» UN2212 (рис. 6) для интенсификации процесса сепарации почвенных и растительных примесей оборудован - пассивными ворошителями , установленными над основным элеватором. Отметим, что использование различных ворошителей (интенсификаторов сепарации) все чаще находит распространение в конструкциях уборочных машин [222]. После основного и промежуточного элеваторов размещены пальчато-гребенчатые ботвоудалители. Продольная горка имеет в верхней части сбрасывающий щиток для предотвращения потерь клубней (рис.13).
Копатель-погрузчик «Grimme» GZ-1700 DL (рис.7) имеет оригинальный «волновой» элеватор, который эффективно разрушает (разламывает на волновой поверхности) клубненосный пласт, обеспечивает переориентацию компонентов, улучшает транспортировку клубней, исключая их скатывание (рис. 7). Однако, конструкция таких элеваторов не обладает высокой технологической надежностью и большим ресурсом работы [222].
Копатели-погрузчики требуют четкой технологической дисциплины, оптимальных почвенно-климатических условий, а также применения средств автоматики технологических процессов. Применение копателей-погрузчиков в РФ ограничивается широким диапазоном почвенно-климатических условий, отсутствием специальных транспортных средств для перевозки картофеля, коротким периодом уборки, а также необходимостью дополнительной доработки картофеля до нужных кондиций. Данные обстоятельства снижают экономическую эффективность применения копателей-погрузчиков. Получение кондиционного картофеля возможно на основе применения автоматических систем контроля качества, что ведет к существенному удорожанию копателей-погрузчиков.
Картофелеуборочные комбайны являются наиболее сложными и дорогостоящими машинами для уборки картофеля. Сейчас в РФ масштабы выпуска комбайнов значительно уступают по количеству производства копателей, но мировой опыт свидетельствует о противоположной тенденции [185,221,222]. В отличие от копателей-погрузчиков комбайны дополнительно оборудуются бункером для временного хранения клубней и переборочным столом для ручной доочистки вороха от растительных и почвенных примесей. Уборка картофеля комбайнами обеспечивает высокую чистоту клубней в таре при низких трудозатратах, позволяет вспомогательным рабочим следить за качественным выполнением технологического процесса, что делает их более привлекательными для крупных хозяйств.
Результаты лабораторных исследований экспериментального подкапывающего рабочего органа
Лабораторные исследования экспериментального подкапывающего рабочего органа проводили на почвенном канале кафедры «Сельскохозяйственные машины» Рязанского государственного сельскохозяйственного института. Тип почвы - суглинок, влажность 17...19 %, твердость на глубине 0,20 м составила 11,9 кг/см, глубина хода лемеха 0,20 м.
Исследование силового взаимодействия активного отрезающего диска с почвой происходило при влажности почвы 19... 22%, твердость почвы в среднем составляла 12,5 кг/см, глубина хода лемеха 0,20 м. Запись показаний приборов осуществлялась на шлейфовый осциллограф Н0443 с регистрацией сигналов на фотобумаге. Форма осциллограммы представлена на (рис. 3.11).
Экспериментальный подкапывающий рабочий орган (рис. 3.12) испытывался в различных скоростных режимах работы. Матрица планирования эксперимента представлена в представлена в приложении А.
Уравнение регрессии при планировании эксперимента рассчитывалось по программе "STATISTICA" версия 6 [20,31,150], в результате обработки результатов таблицы были получены следующие уравнения. RT=-l 179,8 + 3038,6и - 6,76и - 691.66u2- 632vn +0.084и2, (3.17) где V- скорость движения подкапывающего рабочего органа, м/с; п- частота вращения приводного диска, об/мин; RT - тяговое сопротивление, Н. М= 321,54 - 168,89 v+ 2,42 п + 65,28 v - 0,98 v п -0,003 п\ (3.18) где М- крутящий момент, Нм.
Для уравнения (3.17) коэффициенты корреляции для переменных членов уравнения регрессии соответственно составляет г = 0,930. Коэффициент корреляции для уравнения (3.18) равен г— 0,62.
На основании уравнений 3.17 и 3.18 построены поверхности отклика и контурные графики зависимостей тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа и крутящего момента приводного диска (рис. 3.13, 3.14, 3.15, 3.16). В результате исследований установлено, что при кинематических режимах Х,=2,5 работы активного диска наблюдается наибольшее снижение тягового сопротивления рабочего органа. Оптимальное значение кинематического режима активного диска составляет Х=1,7, что соответствует наименьшим энергозатратам на привод диска. Для определения наиболее значимых факторов, влияющих на энергозатраты подкапывающего рабочего органа, поставлен полный факторный эксперимент 3 . Исследовалось влияние на крутящий момент дисков и тяговое сопротивление подкапывающего рабочего органа следующих факторов - поступательной скорости подкапывающего рабочего органа и частоты вращения приводного отрезающего диска, на основании чего рассчитывались потребляемая мощность всего подкапывающего органа.
Таким образом диапазон регулирования частоты вращения дисков диаметром 0,70 м подкапывающего рабочего органа, движущего со скоростью 1,2...2,0 м/с составляет от 85 об/мин до ПО об/мин. Такой режим работы активных отрезающих дисков требует определенных затрат энергии на привод дисков.
Мощность на преодоление тягового сопротивления экспериментального рабочего органа определится выражением Nj=RTv (3.19) где Nj- мощность тяговая, Вт; V - скорость рабочего органа, м/с; R? - тяговое сопротивление, Н.
Для определения наиболее экономичного режима работы подкапывающего рабочего органа была поставлена специальная серия экспериментов по исследованию влияния кинематического режима работы дисков на энергозатраты подкапывающего рабочего органа. На основе результатов опытов была построена математическая модели процесса в виде уравнения регрессии.
Таким образом для определения мощности рабочего органа было получено уравнение регрессии #общ = -7371.86 + 8839.44и+ 50.96и - 1559.64и2 - 26.42ол + 0.072и2 . (3.23)
Коэффициент корреляции для уравнения (3.23) равен г= 0,93. На основании уравнений 3.23 построены поверхности отклика и контурные графики зависимости потребляемой мощности подкапывающего рабочего органа от скорости рабочего органа и частоты вращения приводных дисков (рис. 3.17, 3.18).
Полученная зависимость представленные на рис. 3.17 и 3.18 показывают, что величина мощности подкапывающего рабочего органа зависит от мощности на привод дисков и на передвижение рабочего органа. Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа при повышенных кинематических режимах работы дисков X 2,5 определяется, в основном, мощностью на привод дисков. Также с увеличением кинематического режима работы отрезающих дисков мощность на их привод интенсивно растет и работа при X 2,5 ведет к значительному повышению энергозатрат. Поэтому, в целях ограничения энергозатрат кинематический режим работы дисков следует выбирать не выше 2,2. Размещение на приводных дисках грунтозацепов, выполненных по логарифмической кривой с постоянным углом скольжения 60, улучшает крошение и транспортировку клубненосного пласта по лемеху. В результате тензометрирования установлено, что монтаж на приводных дисках 4 грунтозацепов, выполненных по кривой с углом скольжения 60, увеличивают горизонтальное усилие диска на 210...240Н. Оптимальное количество грунтозацепов, установленных на диске, равное 4, обеспечивает хорошее крошение почвы и самоочищение рабочего органа.
Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы прибора оперативного контроля повреждения клубней картофеля
Для эффективного применения способа оперативного определения степени повреждения клубней картофеля необходимо устройство для его реализации, имеющее оптимальные общетехнические и эксплуатационные параметры.
На рисунке 5.2 представлена принципиальная схема прибора оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля.
Прибор включает в себя корпус 1 в виде мерного баллона изготовленного из стальной трубы с внутренним диаметром D. В верхней части устройство имеет крышку 2 с воздушным штуцером 5 и манометром 6.
Нижняя часть крышки имеет вытеснитель 3 в виде стакана. Внешний диаметр вытеснителя обозначим буквой и . К корпусу устройства приварены два патрубка, на которых закреплена хомутами пластиковая трубка 4 с внутренним диаметром d , играющая роль уровнемера. Герметичность тр. соединения крышки и корпуса устройства обеспечивается винтовым механизмом 7.
На рисунке 5.2 буквой Н обозначена высота вытеснителя. Далее V — полезный объём, то есть внутренний объём устройства от нижней пол. части (дна) вытеснителя до дна мерного баллона. V - — рабочий объём, то есть внутренний объём корпуса устройства от верхнего края стакана вытеснителя до дна мерного баллона. Указанные выше геометрические характеристики являются основными величинами, необходимыми для изготовления прибора. Определим их.
При сжатии пробы клубней картофеля, помещённой в жидкость внутри прибора, происходит деформация пробы на величину . В это время происходит уменьшение уровня жидкости в мерном баллоне, которое можно наблюдать по уровнемеру. Причём начальный уровень жидкости совпадает с уровнем верхнего края стакана, а конечный уровень не должен опускаться ниже уровня дна стакана. Это значит, что V должен быть не менее объёмной деформации пробы. Ещё одной величиной необходимой для определения рабочего объёма прибора является объём стакана вытеснителя V . Очевидно, что его величину определяют высота Н и диаметр d стакана вытеснителя, В свою очередь эти характеристики зависят от цены деления Ц шкалы уровнемера, которой необходимо достичь. Цена деления в данном случае характеризует величину изменения объёма жидкости в мерном баллоне устройства при изменении её уровня на одно деление. Величина необходимой пробы клубней картофеля для определения повреждений, с учетом необходимой точности измерений (расчет приведен в приложении Д), составляет 6,5 кг, что составляет примерно 90-130 клубней при массе каждого клубня около 70-50 г.
Результаты внедрения технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин
Испытание экспериментального прибора оперативного определения повреждений клубней картофеля проводились на полях ВПТУ - 27 г. Спасск-Рязанский. Акты испытаний приведены в приложении Ж. В период уборки картофеля исследовались показатели качества работы комбайна ККУ-2А и оценивалась возможность его настройки на основе оперативного контроля повреждений клубней. Сравнивалась стандартная методика определения повреждений и предложенный способ. В результате исследований было установлено, что способ повышения давления дает сопоставимые результаты со стандартной методикой [106,167]. В приложении приведены копии актов испытаний.
Последующие испытания экспериментального прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля проводились в АО «Павловское» Рязанского района в 1999 году, где проходила уборка картофеля сорта Невский двумя картофелеуборочными комбайнами КПК-2-01.
Комбайн КПК-2-01 предназначен для уборки картофеля на гребневых и полугребневых посадках с урожайностью 100-500 ц/га. КПК-2-01 используется на полях с лёгкой и средней почвой с относительной влажностью до 25% при массе растительных остатков до 60 ц/га. Проведённая агротехническая оценка убираемого участка и культуры дала удовлетворительные результаты для использования КПК-2-01: биологическая урожайность клубней составила 247ц/га, растительных остатков на поверхности поля было менее 20ц/га, камни на поле отсутствовали.
Согласно методике приведенной ОСТ 10 8.5 - 87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методы испытаний» мы определили среднюю толщину клубней (рис.7.3).
На рисунке 7.4 представлена гистограмма нормального распределения толщин клубней картофеля, не убранных с поля после прохода комбайна (потерянные клубни до корректировки регулировок КПК-2-01).
Среднее значение толщины клубня на рисунке 7.4 составило 40,5 мм, среднее квадратическое отклонение толщины - 8,34 мм. Интервал, в котором находятся 99,73 % наблюдаемых величин при их нормальном распределении, будет соответствовать среднему значению толщины клубня плюс-минус три квадратических отклонения. То есть, можно сказать, что интервал варьирования толщин клубней, оставшихся не убранными за комбайном составляет от 15,5 до 65,5 мм. Это говорит о неудовлетворительной настройке рабочих органов комбайна, так как значительную часть потерь составляет средняя фракция клубней.
Потери клубней (неубранные с поля клубни) после корректировки регулировок комбайна уменьшились на 0,46 т/га. Анализ данных говорит о правильно выполненных корректировках настроек картофелеуборочного комбайна.
На рисунке 7.5 представлена гистограмма нормального распределения толщин клубней картофеля, не убранных с поля после прохода комбайна (потерянные клубни после корректировки регулировок КПК-2-01).
Среднее значение толщины клубня на рисунке 7.5 составило 23,5 мм, среднее квадратическое отклонение толщины - 6,3 мм. Интервал, в котором находятся 99,73 % наблюдаемых величин при их нормальном распределении, будет соответствовать среднему значению толщины клубня плюс-минус три квадратических отклонения; то есть составил от 4,6 до 42,4 мм.
Принимая во внимание тот факт, что при комбайновой уборке картофеля клубни толщиной до 28 мм допускается за потери не считать, можно говорить о хорошо проведённой работе по корректировке регулировок КПК-2-01, с точки зрения снижения потерь клубней.
Анализируя структуру повреждений убранного картофеля мы пришли к выводу: трещины клубней и раздавленные мелкие клубни образуются вследствие их защемления между лопастями шнека и прутками основного элеватора. Вырывы мякоти и ушибы крупных клубней были вызваны малым углом наклона основной пальчиковой горки, что препятствовало быстрому скатыванию клубней в ковшовый элеватор, в результате чего они попадали под «обстрел» новой партии поступающих на горку клубней.
Корректировки регулировок рабочих органов позволили снизить потери с 6,13 до 5,67 т/га, а процент повреждения убранных клубней по массе с 12,2 до 8,3 %.
Значительные потери клубней за комбайном можно объяснить его неудовлетворительной подготовкой: полотно дополнительной пальчиковой горки имело надрыв, что уменьшило его натяжение и повлияло на возникновение процесса пробуксовывания полотна.
В 2000 году в том же хозяйстве испытывали картофелекопатель КТН-2В с экспериментальным рабочим органом (на прутки элеваторного полотна были надеты жёсткие пластиковые трубки,, которые имели возможность проворачиваться на прутке). Им убирали картофель сорта Невский. Общая площадь, убранная картофелекопателем, составила около 14 га. По итогам анализа повреждений было рекомендовано увеличить поступающую скорость агрегата, что увеличило в свою очередь толщину почвенной прослойки между клубнями и прутками элеваторного полотна и снизило механические повреждения клубней на 1,3 %.
Параллельно в 2000 году в учебном хозяйстве «Стенькино» Рязанского района проходил испытания картофелекопатель Л-652 с аналогичной модернизацией элеваторного полотна. Оперативный контроль повреждений показал снижение примерно на 1,5 % количества повреждений клубней картофеля.
В 2001 году в учхозе «Стенькино» проводились сравнительные испытания двух методик определения повреждений клубней картофеля: методика по ОСТ 10 8.5 - 87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методы испытаний» и предлагаемая методика, предусматривающая наложение избыточного давления на пробу клубней картофеля и расчёт степени её повреждения по относительной остаточной деформации пробы клубней картофеля. Оценивалась работа картофелекопателя Л-652 и транспортёра-загрузчика (в картофелехранилище) ТЗК-30. Ошибка экспериментальной методики определения повреждений доходила до 9 %.
В том же году в Рязанском НИПТИ АПК проводился аналогичный сравнительный анализ двух методик определения повреждений, но уже по итогам работы картофелеуборочного комбайна КПК-2-01. Здесь ошибка предлагаемой методики доходила до 7 %.
В результате анализа работы картофелеуборочных машин, технологии уборки картофеля, методов оперативного контроля была предложена технология организации работы картофелеуборочной машины с использованием оперативного контроля качества уборки (табл. 7.3).
Углубленные производственные испытания технология уборки картофеля с использованием экспериментального устройства определения повреждений клубней картофеля проходило в ЗАО «Павловское» Рязанского района в период уборки картофеля сорта Латона (2002-2003 гг.). На картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01 была проведена модернизация сепарирующих элеваторов. Для определения повреждений использовался прибор для определения степени повреждений. Также для оценки качества работы картофелеуборочных машин применялась методика ОСТ 10 8.5 - 87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методы испытаний».
В 2002 году урожайность картофеля составила 139 ц/га, потери без окончательной настройки в поле составляли от 15 до 20 ц/га, а внутренние повреждения клубней (ушибы) находились в пределах 5,3 %. В результате оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин и последующей настройки потери клубней снизились на 7... 12% до 9,8 ц/га, механические повреждения снизились до 2,6%.
В 2003 году проводились сравнение работы двух КПК-2-01, оборудованных элеваторными полотнами с комбинированными прутками (на прутки надевались жёсткие пластиковые трубки в сравнении с серийными комбайнами КПК-2-01. По итогам испытаний выявлено снижение механических повреждений клубней картофеля примерно на 1,4 %. Установлено, что качественно выполненная настройка рабочих органов картофелеуборочного комбайна КПК-2-01 может уменьшить на 31,4 % количество наносимых механических повреждений клубням картофеля и на 7,8 % уменьшить потери клубней за комбайном.
Акты о проведённых производственных испытаниях экспериментального устройства оперативного определения повреждений клубней картофеля представлены в приложении Ж.
В 2008 году исследования по теме «Технологии уборки картофеля с применением активных сепарирующих рабочих органов и оперативного контроля качества» были продолжены. Для внедрения предложенной технологии уборки картофеля была выпущена опытная серия приборов контроля повреждений клубней. Приборы были предложены хозяйствам -производителям картофеля в Рязанской области. Переоборудование картофелеуборочных машин сепарирующими элеваторами с комбинированными прутками проводили в хозяйствах Михайловского района Рязанской области: «ИП Пеныпин В.А. Глава КФХ», СХПК «Фрунзенский», СХПК «Трепольский» и СПК имени Кирова. Акты о проведении хозяйственных испытаний технологии уборки картофеля представлены в приложении Ж.
На рисунках 7.6, 7.7, 7.8, 7.9 показаны фрагменты хозяйственных испытаний при использовании картофелеуборочного комбайна КПК-2-01 с модернизированными сепарирующими рабочими органами.
