Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и тенденции развитиякартофелеуборочной техники 11
1.1. Общее состояние вопроса 11
1.2. Особенности современных картофелеуборочных машин 19
1.3. Анализ состояния современных подкапывающих органов машин для уборки картофеля 34
1.4. Обзор дисковых элементов комбинированных подкапывающих рабочих органов 38
1.5. Анализ конструкций, принципа работы и теоретических исследований подкапывающих органов 39
1.6. Выводы 55
2 Теоретические исследования подкапбівающих рабочих органов картофелеуборочных машин 56
2.1. Исследование параметров зубчатого диска с почвозацепами 56
2.2. Определение массы диска с почвозацепами 56
2.3. Исследование тягового сопротивления диска с почвозацепами 59
2.4. Обоснование взаимного расположения рабочих органов приемной части картофелеуборочной машины 64
2.5. Исследование параметров работы пассивных дисковых элементов подкапывающего органа при взаимодействии с растительными остатками 67
2.6. Обоснование параметров работы дисковых элементов подкапывающего органа 69
2.7. Исследование силового взаимодействия почвозацепа с клубненосным пластом 76
2.8. Выбор рациональных параметров почвозацепов диска 2.9. Устройство и технологический процесс усовершенствованного подкапывающего рабочего органа 81
2.10. Выводы 83
3 Лабораторные исследования усовершенствованного подкапывающего органа картофелеуборочной машины 84
3.1. Программа исследований экспериментального диска, оснащенного почвозацепами 84
3.2. Оборудование, применяемое для опытов 84
3.3. Методика проведения испытаний 86
3.4. Выводы 93
4 Экспериментальные полевые исследования 94
4.1. Характеристика условий испытаний 94
4.2. Агротехническая оценка работы экспериментальной картофелеуборочной машины 96
4.3. Энергетическая оценка работы дисковых элементов 98
4.4. Методика и аппаратура полевых исследований экспериментального картофелекопателя 99
4.5. Используемые приборы и аппаратура 101
4.6. Результаты исследований экспериментального картофелеуборочного копателя 101
4.7. Определение размерно-массового состава почвы 104
4.8. Выводы 109
5. Технико-экономическая эффективность внедрения усовершенствованных дисков с почвозацепами 110
5.1. Расчет технико-экономических показателей 110
5.2. Экономический эффект от снижения затрат на эксплуатацию 110
5.3. Эксплуатационные затраты ПО
5.4. Экономический эффект от снижения потерь и повреждений урожая картофеля 114
5.5. Суммарный экономический эффект 115
5.6. Выводы 115
Заключение (общие выводы) 116
Библиографический список 117
- Анализ состояния современных подкапывающих органов машин для уборки картофеля
- Исследование тягового сопротивления диска с почвозацепами
- Методика проведения испытаний
- Методика и аппаратура полевых исследований экспериментального картофелекопателя
Анализ состояния современных подкапывающих органов машин для уборки картофеля
Прежде чем перейти непосредственно к рабочим органам картофелеуборочных машин, необходимо рассмотреть технологии возделывания картофеля, применяемые в настоящее время.
В данный момент в нашей стране и за ее пределами, в основном используются 4 технологии возделывания картофеля [9, 69].
Голландская технология возделывания картофеля (рис. 1.6.а, 1.6.6) применяется на средних и тяжелых суглинистых почвах. Особенностью технологии является то, что весной проводится сплошное фрезерование на глубину 12...14 см, для этого используются вертикально-фрезерные культиваторы. После этого сажают корнеклубнеплоды картофелесажалками, а через 12... 15 дней формируют высокообъемные гряды горизонтально-фрезерными культиваторами. Большой объем почвы в гребнях дает возможность продолжительное время сохранять оптимальный запас влаги в засушливый период, а высота и форма гребня способствуют сбросу влаги при переувлажнении. За счет применения до всходов или по всходам гербицидов «Зенкор» уничтожаются сорняки и в дальнейшем не проводится механическая обработка. Сокращение до минимума количества междурядных обработок снижает опасность повреждения корневой системы картофельного растения, уменьшает вероятность переноса вирусной инфекции рабочими органами механических орудий. В результате такого подхода создается рыхлая структура почвы и оптимальные условия для роста картофеля[5, 6, 9, 80].
Гриммовская технология возделывания картофеля (рис. 1.6.в) применяется на тяжелых почвах засоренных камнями. Особенностью технологии является то, что весной перед посадкой картофеля специальной машиной (камнеудалителем) прочные почвенные камки и камни сепарируются и укладываются в заранее подготовленные борозды (рис. 1.6.в) После этого высаживают и убирают картофель двухрядными машинами. Один из вариантов гриммовской технологии возделывания картофеля предусматривает сбор камней и прочных почвенных комков в бункер камнеудалителя и вывоз их за пределы поля. Перевозка многих тонн камней и прочных почвенных комков при использовании гриммовской технологии выращивания картофеля очень недешевое дело, повышающее стоимость произведенного урожая. Перемещение совместно с камнями части верхнего слоя плодоносной почвы может в будущем негативно отразиться на жизненном цикле тех культур, которые дальше будут возделываться на данных полях [9].
Картофель выращивается по грядо-ленточной технологии производства (рис. 1.6.г) часто в засушливых (Астраханская область, Краснодарский и Ставропольский край и др.) и переувлажненных (Амурская и Сахалинская область, Хабаровский край и др.) районах РФ. Достоинством данного возделывания картофеля является то, что масса объемной гряды в засуху набирает влагу, а при ливнях способствует сбросу воды в борозды. Также эти посадки не уплотняются движителями трактора при междурядных операциях. Но при сборе урожая клубнеплодов увеличивается нагрузка на органы сепарации комбайнов, копателей-погрузчиков или копателей из-за значительного поступления картофельного вороха, что несомненно уменьшает производительность уборочных агрегатов [9].
Возделывание картофеля по заворовской технологии (рис. І.б.д) используется повсеместно на различных типах почв. Для этой технологии особенностью является предварительная нарезка гребней (осенью или весной) с целью создания необходимой структуры по плотности, для получения удовлетворительных условий развития картофеля и перспективы возможной уборки комбайнами или копателями-погрузчиками. Но в этой технологии есть уплотнение междурядий колесами сельскохозяйственных машин, что ухудшает развитие клубней и заметно затрудняет уборку комбайнами [9].
В настоящее время в мировой практике наиболее распространена «голландская» технология возделывания картофеля, имеющая ширину междурядий 75 см. Однако в России наряду с ней широко используется и «заворовская» технология, она имеет ширину междурядий 70 см [79].
Так как возделывание картофеля довольно трудоемкий и энергоемкий процесс, а наибольшая часть затрат приходится на уборку урожая, сельхозпроизводителям приходится внимательно выбирать технологию уборки [3, 9, 12, 20, 34, 36, 67].
Применение разнообразных схем операций уборки и машин определяется следующими параметрами осуществления работ: влажность и тип почвы; необходимым урожаем картофеля (продовольственный, фуражный или семенной); климатическими и природными условиями; размерами полей; урожайностью культуры; трудовыми ресурсами в хозяйстве, наличием хранилищ и свободных средств транспорта в период уборки. Финансовые возможности сельхозпроизводителей, в приобретении соответствующей уборочной техники играют не последнюю роль [9, 36].
Уборка картофеля может проходить в разных условиях: на легких, средних, тяжелых и особо тяжелых почвах. Условия уборки характеризуются величиной урожая, влажностью почвы, размерами остатков ботвы и сорняков, присутствием камней, размерами, рельефом и конфигурацией полей [9, 33, 37, 57, 60, 83].
Современные технологии механизированной уборки картофеля, широко используемые отечественными и зарубежными производителями, бывают двух видов: поточный и раздельный [9, 20, 28, 29, 67, 76, 77, 78, 109]. В поточной уборке операции следуют без остановки во времени, а при раздельной - есть разрыв между разными процессами. При уборке поточным способом используют и такой машинный набор: - машины (2-3 на одном поле) для сбора картофеля с погрузкой в транспортные агрегаты; - автосамосвалы и тракторные прицепы для перемещения картофеля к месту сортировки; пункт сортировки с контейнерами для сбора и дальнейшей транспортировки картофеля после сортирования;
Исследование тягового сопротивления диска с почвозацепами
Среди комбинированных подкапывающих рабочих органов большую группу составляют устройства, которые являются сочетанием пассивных лемехов с дополнительными механизмами, активизирующими разрушение пласта и его передачу на сепарирующие поверхности. Широкое применение нашли комбинированные подкапывающие рабочие органы, которые включают в себя пассивные плоские секционные или сплошные лемехи, а также активные и пассивные или только пассивные боковины-диски [65].
Основными признаками различия дисковых боковин подкапывающих органов являются тип привода, форма поверхности диска и форма режущей кромки диска [4, 64, 65]. По типу привода дисковые рабочие органы бывают активные и пассивные. Если передача энергии на диск осуществляется при помощи карданного вала, гидропривода, электропривода и т.д., то диск считается активным (рис. 1.18. б). Если же вращение диска осуществляется в результате возникновения сил трения между боковой поверхностью диска и почвой, то такой диск - пассивный [9, 65]. В зависимости от формы поверхности диски бывают сферические и плоские. В картофелеуборочных машинах наибольшее распространение получили плоские диски.
В зависимости от формы режущей кромки диски бывают со сплошной (гладкой) и зубчатой (трапецеидальной, треугольной и т.д.) режущей кромкой (рис. 1.18. а, г, е) [9, 65].
Также дисковые элементы могут различаться по наличию и форме дополнительных элементов на боковых поверхностях диска, в частности почвозацепов (рис. 1.18. д) [9, 65].
Как отмечалось ранее, чтобы устранить технологические недостатки пассивного лемеха и повысить надёжность выполнения технологического процесса картофелеуборочных машин необходимо иметь в конструкции подкапывающей части активные или пассивные элементы - диски (рис. 1.18. б) [9, 65].
Анализ конструкций, принципа работы и теоретических исследований подкапывающих органов
Сгруживание клубненосного пласта является основным недостатком пассивных подкапывающих рабочих органов, во избежание которого, как указывал Н.В.Фирсов еще в 1935 году, лемеха должны выполняться короткими и с наименьшим возможным углом резания, но в то же время необходимо иметь заднюю кромку лемеха, расположенной по отношению к лезвию на высоте не менее 100...120 мм, так как ее положение должно обеспечивать прохождение рабочих органов первого элеватора без задевания поверхности поля. Явлению сгруживания клубненосного пласта, по мнению Н.В.Фирсова, способствует также нависание ботвы на боковинах и сползание пластав сторону [101, 105].
На основании изучения работы картофелеуборочных машин были установлены главные недостатки подкапывающих органов - забивание лемехов растительными остатками с последующим сгруживанием массы почвы и разваливанием ее вместе с клубнями на сторону [66, 101, 105].
Из зарубежных ученых этого периода выделяются работы немецкого ученого Г.Фишера. Его исследования сводились к сравнительной оценке известных конструкций подкапывающих рабочих органов.
Одновременно ставилась задача найти максимально возможный угол наклона и минимальную длину лемеха.
Наиболее значительные разработки и исследования подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин выполнены научными сотрудниками ВИСХОМа Н.В. Фирсовым, Н.Н. Колчиным, Г.Д. Петровым, А.А. Сорокиным.
В 1955 году в ВИСХОМе проведены исследования лемехов: плоского, выжимного корытообразного одно секционного и двухсекционного и вилообразного с режущей кромкой. Установлено, что все пассивные лемеха испытанных конструкций создают большие сопротивления при подкопе картофельной грядки, что приводит к сгруживанию почвы и потерям клубней картофеля. Подкопанная пассивным лемехом картофельная грядка при передаче ее на сепарирующий орган разрушается недостаточно, что затрудняет работу сепарирующих органов машины для уборки картофеля [101].
Исследования [66, 101] показали, что выжимные лемехи не имеют преимуществ по сравнению с остальными лемехами.
Значительная работа по исследованию плоских пассивных подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин была выполнена в Белорусском институте механизации и электрификации сельского хозяйства М.Т.Ткачевым, А.Ю.Кречко и другими [66, 81]. Основные исследования были направлены на установление оптимальных значений длины лемеха, угла наклона его к горизонту и угла между лезвиями при вершине, при которых осуществлялось бы передвижение подкопанного клубненосного пласта по подкапывающему рабочему органу без сгруживания и разваливания.
В течение ряда лет под руководством Е.А.Глухих А.Е.Пермякова [66] исследовала процесс подкапывания и сепарации почвы при уборке картофеля, возделываемого в Ростовской области. Было установлено, что при уборке картофеля, возделываемого на тяжелых глинистых почвах с пониженной влажностью, более перспективен корытообразный лемех со следующими параметрами: ширина захвата - 415 мм; длина лемеха - 500 мм; угол наклона 12... 14.
Большие работы выполнены сотрудниками ГСКБ (г.Рязань) И.П.Гудзенко, М.Б.Углановым и другими по изысканию и отработке конструктивных параметров подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин. Результатом многолетней работы Рязанского ГСКБ явилось создание картофелеуборочного комбайна К-3, где были использованы корытообразные лемеха [22, 97, 101].
Исследованиями, проведенными в 1962...1965 годах сотрудниками ВИСХОМа на опытных полях учебного хозяйства "Отрадное" Воронежского сельскохозяйственного института было установлено, что фторопласт-4 и полиэтилен высокого и низкого давления, применяемые в качестве покрытий на рабочие поверхности, дают положительные результаты. Было отмечено устранение залипання и снижения тягового сопротивления до 4...5%. Но в этом случае остается не решенным вопрос о долговечности полимерных материалов-пластмасс [43].
Целый ряд ученых, в разные периоды времени и при разных условиях занимались изучением параметров клубневого гнезда картофеля: А.Ю. Кречко, B.C. Митрофанов, И.Н. Масленков, Н.М. Марченко, Л.В. Птицина, К.И. Родин, И.А. Успенский и др. Эти ученые проводили замеры координат крайних клубней.
B.C. Митрофанов, по итогам исследований с разными сортами картофеля показал, что клубневое гнездо в своем сечении имеет форму близкую к кругу. При данных исследованиях не учитывалась урожайность картофеля [37, 101].
Н.М. Марченко и Л.В. Птицина по итогам своей работы получили данные, которые подтверждают, что размеры клубневого гнезда зависят не только от сорта картофеля, но и от урожайности (Рис. 1.21.) [11, 28, 101].
Из зарубежных исследований наибольший интерес представляют работы С.Хоукинса (Национальный институт сельского хозяйства Англии). Им проведено тщательное изучение распределения клубней в гнездах картофеля, дан анализ известных конструкций подкапывающих органов [65, 101].
Методика проведения испытаний
При работе зубчатого диска в почве одновременно находятся четыре почвозацепа в форме равностороннего треугольника, которые в зависимости от твёрдости почвы, создают на диске крутящий момент от 43 до 130 Н-м. С учетом этого, анализируя рисунок 2.9 можно сделать вывод, что в диапазоне угловых скоростей от 0 до 2,8 рад/с (при А,=1) крутящий момент, создаваемый на диске с почвозацепами, остаётся значительным, но в то же время зависит от состояния и типа почвы, обрабатываемой картофелеуборочным агрегатом, а также частоты вращения диска. Это говорит о том, что обеспечивается вращение диска с меньшим буксованием, что приводит к более полному перерезанию растительности и ботвы режущей кромкой зубьев и почвозацепов. Что положительно сказывается на работе самого диска и сепарирующих рабочих органов, при этом уменьшаются потери картофеля и технологические простои машины [24].
Тяговое сопротивление, создаваемое диском с почвозацепами, для простоты вычисления разобьем на тяговое сопротивление самого зубчатого диска и тяговое сопротивление, создаваемое почвозацепами [24, 101].
Для определения тягового сопротивления необходимо учесть длину режущей кромки в метрах, которая определится как: l = (h + c)-Z (2.51) где: Z - число зубьев, находящихся на отрезке диска погруженного в почву; с - длина боковой стороны зуба; h - высота зуба. Тогда формула для определения тягового сопротивления будет иметь следующий вид: 2-Qn.4.-H- _ 2-Qn,4,-H- н 5, Z-(h+c)-(180-2arcsin ) [I +_l_. r_I ).4/.sinx+tgx-(e4 ctg -l)]-(7r-2arcsin ) где: Qn ч - вес подкапывающей части; Н - глубина хода диска. Тяговое сопротивление, создаваемое силами трения на поверхности почвозацепов определим с помощью схемы, расположенной на рисунке 2.10. При движении в почве на поверхность почвозацепа действуют силы трения. Их равнодействующую F , выразим через нормальную реакцию почвы на смятие почвозацепом: тр Jтр с " п /О 53 ) Тяговое сопротивление, создаваемое силами трения на поверхности почвозацепа: К.по, =Fmp sm/3 = fmp -Nc -Sn -sin/?. (2.54) В почве во время движения находится несколько почвозацепов, поэтому окончательно выражение для определения тягового сопротивления, создаваемого силами трения на поверхности почвозацепов, находящихся в почве, примет вид:
Схема к определению момента и тягового сопротивления, создаваемого силой трения на поверхности почвозацепов
Общее тяговое сопротивление, создаваемое силами трения на поверхности зубчатого диска и почвозацепов будет иметь вид: г-Опл/Н-Ф
Из рисунка 2.11. видно, что наличие почвозацепов незначительно влияет на тяговое сопротивление, создаваемое силами трения на поверхности зубчатого диска. Разница составляет около З Н. Это говорит о том, что на тяговом сопротивлении всей машины в целом наличие почвозацепов скажется незначительно. Однако из-за увеличения тягового сопротивления на поверхности дисков, уменьшится их проскальзывание относительно почвы.
Выражениу (2.56) в сумме дают общее тяговое сопротивление зубчатого диска с почвозацепами, работающего в почве. В результате расчётов можно сделать вывод, что общее тяговое сопротивление зубчатого диска не должно превышать величину РЧ)бщ=760 Н [96].
В итоге теоретических исследований можно сделать вывод о том, что применение пассивных дисковых боковин с почвозацепами в подкапывающем рабочем органе картофелеуборочных машин при незначительном увеличении тягового сопротивления, улучшает вращение диска, и тем самым, повышает эффективность его работы за счет повышения крошения клубненосного пласта и равномерности его подачи на сепарирующие рабочие органы.
Исследование силового взаимодействия почвозацепа с клубненосным пластом Воздействие почвозацепа на пласт можно сравнить с работой трехгранного клина [101]. Почва перемещается по рабочей грани почвозацепа, которая находится под углом а к плоскости диска и наклонена на угол у направлению перемещения пласта.
При повороте боковых дисков почвозацепы внедряются в клубненосный пласт, обжимают и смещают его по лемеху. В результате внедрения и разницы скоростей пласта и почвозацепов происходит крошение почвы. При этом почва скользит по рабочей грани под действием силы подпора пласта, сил бокового давления и веса почвы, что способствует самоочищению рабочего органа [101].
Схема к определению силового воздействия почвозацепа на пласт Рассмотрим силовое взаимодействие почвозацепа с клубненосным пластом, для этого введем следующие допущения: пласт не сжимаем и не растяжим, т.е. идеально эластичен; сила подпора пласта расположена параллельно горизонтальной плоскости; пласт перемещается относительно неподвижного почвозацепа [88, 101].
Со стороны пласта на почвозацеп действует сила подпора и сила бокового давления, так как почва зажата между двумя вертикальными дисками, вес пласта не учитывается. Сила бокового давления параллельна оси OZ (рис.2.14.).
Рассмотрим действующие связи и заменим их соответствующими реакциями. Тогда уравнение равновесия участка пласта будет выглядеть следующим образом: Определим реакцию рабочей грани почвозацепа, обусловленную силой бокового давления. Рассмотрим условия равновесия пласта, находящегося на рабочей грани (рис.2.13). Помимо сил бокового давления на пласт действуют известные по направлению нормальная и касательная реакции рабочей грани почвозацепа, а также сила подпора пласта, которую будем считать расположенной в плоскости XOY, параллельной плоскости диска.
Методика и аппаратура полевых исследований экспериментального картофелекопателя
Почвенный ворох собирался на пленку пробоотборник. Из вороха попавшего на пленку забиралась почва в количестве 6...7 кг. Для определения размерного состава использовался лабораторный рассев, который состоял из пяти решеток с разными размерами ячеек: 30x30, 25x25, 20x20, 15x15, 10x10 мм.
Почва насыпалась на верхнюю решетку рассева, рассев подвешивался с помощью двух специальных подвесов. Под рассевом размещался поддон. Далее рассев приводили в колебательное движение. Таким образом просеивание длилось в течение 30 секунд. После просеивания лабораторный рассев разбирался, а землю и комки с каждой решетки и нижнего поддона взвешивали с точностью до 10 грамм.
Повторность опыта была трехкратной, все результаты фиксировались. Таким образом, размерный состав почвы определялся для серийной и экспериментальной картофелеуборочной машины. Далее полученные результаты анализировались. В итоге нашей работы мы получили две гистограммы размерно-массовой характеристики вороха (рис 4.4. и 4.5.), сравнив которые, мы можем оценить, работа какого копателя окажется эффективней - со стандартной приемной частью, или с модернизированной.
По итогам более ранних наблюдений можно сделать вывод, что на качество работы картофелеуборочных агрегатов в значительной мере влияет влажность почвы. Высокая влажность приводит к слипанию в более крупные комки. При использовании данной методики, из-за повышения влажности ухудшаются условия просева частиц через решетку.
Также сильно и негативно влияет недостаточная влажность, при которой образуются плотные комки [32]. Именно поэтому испытания проводились при умеренной влажности почвы, а учетные делянки размечались на одном поле, что обеспечивало одинаковую влажность на всех участках.
У копателя с модернизированной приемной частью наблюдается меньшее проскальзывание диска относительно почвы. Это приводит к меньшему тяговому сопротивлению, но в данном опыте более актуально то, что из-за меньшего проскальзывания почвенный пласт более эффективно отделяется от междурядий, что в большей мере предотвращает попадание в ворох плотной почвы из междурядий, чем у копателя со стандартной приемной частью.
Копатель с модернизированной приемной частью, оснащенной зубчатыми дисками с почвозацепами, показывает лучшие размерно-массовые характеристики почвенных комков вороха, это значит, что в приемную часть комбайна попадает меньше твердой почвы образованной в комки, что подтверждает лучшую работу усовершенствованных дисковых боковин. Количеств комков размером больше 20 мм снизилось в среднем на 11%, что облегчает функционирование сепарирующих рабочих органов, снижает повреждения картофеля, а также улучшает показатели чистоты клубней в таре при использовании дисков на картофелеуборочных агрегатах, оснащенных бункером для сбора клубней.
1. Модернизированный подкапывающий рабочий орган показал снижение тягового сопротивления до 4%. При этом крошение клубненосного пласта улучшилось на 7%.
2. Копатель с усовершенствованным рабочим органом испытывался на рабочих скоростях от 2 до 5 км/ч. В процессе исследований показано удовлетворительное качество работы. Повреждаемость клубней находилась в допустимых пределах и составила 1,5%, а полнота уборки составила 98,8%.
3. Использование почвозацепов снижает сгруживание подкапываемого пласта на рабочих органах копателя и, тем самым, снижает время простоя агрегата на 9%. В целом наша разработка показывает положительные результаты в виде повышения производительности копателя до 12 %.