Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования. 17
1.1 Основные технологии возделывания картофеля 17
1.2 Эксплуатационно-технологические требования к картофелеуборочным комбайнам . 23
1.3 Основные технологии уборки картофеля и технологические схемы картофелеуборочных комбайнов 30
1.4 Сепарирующие органы картофелеуборочных комбайнов . 67
1.5 Современный уровень эксплуатационно-технологических показателей картофелеуборочных комбайнов 102
1.6 Обзор исследований процесса сепарации в картофелеуборочных комбайнах 108
1.7 Постановка научной проблемы. Научная гипотеза и задачи исследований 116
Заключение по главе 1 120
2 Теоретические основы повышения эффективнос-ти уборки картофеля на тяжелых суглинистых почвах совершенствованием сепарирующих органов комбайнов 122
2.1 Компоновочная схема современного картофелеуборочного комбайна 122
2.2 Математическая модель процесса сепарации картофелеуборочного комбайна 125
2.3 Теоретические предпосылки выбора конструктивно- технологической схемы сепарирующего рабочего органа 132
2.4 Теоретические исследования закономерностей процесса распределения картофельного вороха по рабочей зоне сепарирующих органов комбайнов с применением упругих элементов интенсификации 135
2.5 Конструктивно-технологическая схема органа первичной сепарации картофелеуборочных комбайнов с упругим разравнивающим интенсификатором
2.6 Теоретические исследования ограничителей раскатывания клубней картофеля в пределах технологической зоны сепарации 158
2.7 Теоретические исследования процесса взаимодействия упругих разравнивающих интенсификаторов сепарирующих рабочих органов комбайнов с компонентами картофельного вороха 168
2.7.1 Теоретические исследования взаимодействия клубня с упругими рабочими элементами разравнивающего 169
интенсификатора по критерию допустимой скорости взаимодействия 183
2.7.2 Теоретические исследования взаимодействия клубня с упругими рабочими элементами разравнивающего интенсификатора по критерию допустимого контактного напряжения взаимодействия 202
2.8 Конструктивно-технологические схемы органов вторичной сепарации картофелеуборочных комбайнов с упругими разравнивающими интенсификаторами
2.9 Теоретическое обоснование параметров и режимов работы
упругих разравнивающих интенсификаторов рабочих органов вторичной сепарации
Выводы к главе 2
3 Экспериментальные исследования эффективности уборки картофеля на тяжелых суглинистых почвах совершенствованием сепарирующих органов комбайнов
3.1 Программа экспериментальных исследований
3.2 Лабораторно-полевые исследования свойств компонентов картофельного вороха
3.2.1 Методики лабораторно-полевых исследований свойств компонентов картофельного вороха
3.2.2 Результаты лабораторно-полевых исследований свойств компонентов картофельного вороха
3.3 Экспериментальные исследования рабочих органов первичной сепарации картофелеуборочных комбайнов в условиях тяжелых суглинистых почв
3.3.1 Методики исследований рабочих органов первичной сепарации
3.3.2 Результаты исследований органов первичной сепарации
3.4 Экспериментальные исследования рабочих органов вторичной сепарации картофелеуборочных комбайнов в условиях тяжелых суглинистых почв
3.4.1 Методики исследований рабочих органов вторичной сепарации .
3.4.2 Результаты исследований органов вторичной сепарации
Выводы к главе 3
4 Исследования эффективности уборки картофеля на тяжелых суглинистых почвах комбайнами с усовершенствованными сепарирующими органами
4.1 Программа исследований
4.2 Обоснование необходимых почвенно-климатических условий и выбор мест расположения хозяйств для проведения испытаний..
4.3 Объекты исследований и применяемое оборудование
4.4 Методика исследований технологических процессов и сравнительных полевых испытаний картофелеуборочных комбайнов
4.5 Результаты исследований технологических процессов и сравнительных полевых испытаний картофелеуборочных комбайнов
Выводы к главе 4
5 Технико-экономическая эффективность и пути дальнейшего совершенствования уборки картофеля комбайнами на тяжелых суглинистых почвах 317
5.1 Технико-экономическая эффективность уборки картофеля комбайнами на тяжелых суглинистых почвах 317
5.2 Пути дальнейшего совершенствования уборки картофеля комбайнами на тяжелых суглинистых почвах 326
Выводы к главе 5 353
Общие выводы 354
Библиографический список
- Основные технологии уборки картофеля и технологические схемы картофелеуборочных комбайнов
- Теоретические предпосылки выбора конструктивно- технологической схемы сепарирующего рабочего органа
- Методики лабораторно-полевых исследований свойств компонентов картофельного вороха
- Методика исследований технологических процессов и сравнительных полевых испытаний картофелеуборочных комбайнов
Основные технологии уборки картофеля и технологические схемы картофелеуборочных комбайнов
Высокорентабельное производство картофеля в различных почвенно-климатических условиях невозможно без рационального выбора и применения машинной технологии возделывания [62,87,119,122,145,279]. Получение планируемого результата будут определять три основных фактора: урожайность культуры, требования к качеству продукции, и себестоимость производства [280]. В настоящее время при возделывании картофеля применяются следующие технологии
Западноевропейская, или «голландская», технология применяется преимущественно на средних и тяжелых суглинистых почвах. Особенность технологии заключается в том, что весной проводится сплошное фрезерование почвы глубиной 12 - 14 см вертикально-фрезерными культиваторами. Впоследствии производится посадка картофеля, а по истечению 12 - 15 дней формируют грядки горизонтально-фрезерным культиватором. Формирование гребней проводится в кратчайшие сроки после посадки для предотвращения повреждения проросших клубней картофеля и удержания дополнительной влаги на гряде. Форма гребня формируется фрезерным гребнеобразователем и выглядит следующим образом (рис. 1.1). Верхний слой почвы на вершине и по бокам гребня уплотняется и приглаживается кожухом гребнеобразователя, чем создается устойчивая поверхность для гербицидной пленки. Такая форма с одной стороны дает возможность продолжительное время сохранять оптимальный запас влаги, а с другой стороны высота и форма гребня дают возможность избежать избытка влаги при переувлажнении [293].
При использовании гербицидов («Зенкор» и др.) уничтожаются сорняки, и отпадает необходимость в применении механической обработки. Сокращение до минимума количества междурядных обработок снижает опасность повреждения корневой системы картофельного растения. В результате такого подхода создается рыхлая структура почвы и оптимальные условия для роста картофеля благотворно влияя на урожайность культуры [126].
Данная технология, имеющая ширину междурядья 75 см, на сегодняшний день является наиболее распространенной в мировой практике, но в отечественных условиях не менее распространена и традиционная, или «заворовская», технология с шириной междурядья 70 см.
Традиционная или «заворовская» технология возделывания картофеля применяется практически на всех типах почв. Отличительной чертой данной технологии является предварительная нарезка гребней осенью или весной для создания рыхлой структуры, с целью оптимальных условий для развития картофеля и дальнейшей уборки культуры с помощью бункерных и элеваторных комбайнов. Причем осеннюю нарезку гребней применяют, прежде всего, при выращивании раннего картофеля. Весеннюю нарезку гребней обычно практикуют во влагообеспеченных районах на суглинистых, дерново-подзолистых и серых лесных почвах [126]. Форма гребня и параметры залегания клубней представлены на рисунок 1.2.
Недостаток технологии заключается в том, что многократные уплотнения междурядий колесами сельскохозяйственной техники приводят к ухудшению роста клубней в уплотненном слое и несколько затрудняют процесс машинной уборки.
В настоящее время данная технология является одной из самых распространенных в отечественных хозяйствах [34].
Грядо-ленточная технология применяется для возделывания картофеля на территориях засушливых (Волгоградская область, Краснодарский край и др.) и переувлажненных (Дальний Восток) районов РФ. К преимуществам данной технологии можно отнести то, что объемная гряда в засушливую пору накапливает влагу, а при избыточном увлажнении сбрасывает воду в междурядья. Кроме того, рядки посадок не уплотняются колесами трактора при механизированной обработке. В итоге получаем урожайность картофеля выше на 10-30% по сравнению с технологиями посадки с междурядьями 70-75 см для почв с повышенным или недостаточным увлажнением [42,256]. Посадка картофеля проводится по схеме, показанной на (рис. 1.3).
Вид гряд при грядо-ленточной технологии. Недостаток технологии состоит в том, что при уборке урожая корнеклубнеплодов возрастает нагрузка на сепарирующие рабочие органы комбайнов или копателей, из-за увеличенной подачи картофельного вороха по сравнению с аналогами, что снижает производительность картофелеуборочной техники и существенно снижает агротехнологические показатели. «Гриммовская» технология возделывания картофеля применяется на тяжелых почвах, засоренных камнями (до 50 т/га камней в слое 0 - 15 см [126]). В этом случае сильно ухудшается внешний вид выращенной продукции, возникают проблемы с дальнейшим уходом и значительными затратами на переборку картофельного вороха. Всю технологию можно разделить на два этапа. Первый - весной перед посадкой картофеля машиной-камнеудалителем почвенные камки и камни сепарируются и укладываются в заранее подготовленные борозды. Второй – высадка самого картофеля двухрядными машинами. Схема гряд при данной технологии представлена на рисунке 1.4. Существует разновидность гриммовской технологии, которая предусматривает сбор камней и прочных почвенных комков в бункер камнеудалителя и вывоз их за пределы поля, но так как этот процесс трудозатратен и ресурсоемок, то он негативно сказывается на себестоимости конечного продукта.
Теоретические предпосылки выбора конструктивно- технологической схемы сепарирующего рабочего органа
Анализ опыта развитых европейских стран [30, 159, 162] показывает, что в благоприятных погодных условиях наиболее рационально применять технологию уборки картофеля с затариванием на комбайне (рис. 1.36), поскольку это позволяет выполнить требования потребителя без излишних перевалок продукции, и, как следствие, снижает повреждения клубней и затраты на дополнительные операции послеуборочной обработки. Современный технический уровень картофелеуборочных машин позволяет затаривать урожай в мешки (сетки), ящики или контейнеры различной вместимости.
Отказ от послеуборочной обработки возможен только в тех случаях, когда продукция уже на выходе из комбайна отвечает требованиям потребителя как по агротехническим показателям (повреждениям и чистоте клубней в таре), так и по виду используемой тары, поскольку дополнительные операции перегрузки и затаривания могут привести к дополнительным повреждениям клубней [30]. Рисунок 1.36 - Технологии уборки картофеля с возможностью затаривания продукции на комбайне.
За рубежом, в частности, в Италии и в ФРГ такие варианты реализации уборочного технологического процесса достаточно распространены. Многие фирмы выпускают картофелеуборочные комбайны, оснащенные взвешивающим устройством с лотком для засыпки в мешки, с помощью которых можно осуществлять непрерывную загрузку картофеля. В комплекте с такими комбайнами поставляются платформы для мешков. Двухрядные модели имеют двойное число взвешивающих устройств. Учитывая необходимость разворота комбайна в конце гона, платформы являются наиболее удобным средством для промежуточного хранения мешков (предпочтительно на поддонах) [30].
Некоторые бункерные и даже элеваторные уборочные машины могут быть приспособлены под загрузку клубней в мешки. Для этого разгрузочный конвейер снимают, а вместо него устанавливают сортировщик и устройства для затаривания и взвешивания мешков. Такие устройства в ряде комбайнов можно размещать внутри бункера. Для разгрузки поддонов на ходу можно использовать вильчатые погрузчики. Если освободить платформу от устройств для взвешивания, на некоторых комбайнах можно затаривать убираемый картофель в контейнеры [30].
Анализ производственного опыта и литературных данных показывает, что картофель при транспортировке автомобильным транспортом также получает механические повреждения. При транспортировке картофеля из г. Дмитрова Московской области и хранении его в течение 5-7 месяцев в хранилищах г. Москвы были получены следующие результаты: - потери при перевозках в контейнерах – 3…8%; - потери при транспортировке навалом – 9…14% [93].
Таким образом, затаривание картофеля непосредственно на комбайне способно значительно снизить повреждения клубней при перевозке, а с учетом отсутствия необходимости послеуборочной обработки уборочно-транспортный технологический процесс с выполнением данной операции на комбайне представляется весьма перспективным. Проведем анализ существующих комбайнов, работающих подобным образом.
В нашей стране впервые комбайн для уборки картофеля со сбором клубней в корзины и мешки был создан в ВИСХОМе и назывался ККР-2 (рис. 1.37). Опыт эксплуатации этого комбайна показал, что производительность подкапывающе-сепарирующей части у него существенно выше производительности затаривающей части, поэтому широкого применения он не нашел [195].
Следующая попытка сделать комбайн с непосредственным затариванием урожая в нашей стране была предпринята при разработке семейства комбайнов КПК. Модификации КПК-2-03 и КПК-3-03 (соответственно двух- и трехрядная) предусматривали вместо бункера площадки для установки контейнеров (ящичных поддонов) [135].
Технологическая схема картофелеуборочного комбайна ККР–2. В середине 90-х годов в ГСКБ по возделыванию и уборке картофеля (г.Рязань) был разработан однорядный мини-комбайн ВК-30 (рис. 1.38) с площадкой для сбора клубней в мешки и оригинальной боковой подкапывающе-сепарирующей секцией, благодаря которой он обладал минимальными габаритами. Однако в серию он не пошел, что было связано с тем, что в середине - конце 90-х годов в отечественном сельскохозяйственном машиностроении сложилась сложная экономическая ситуация, в результате которой ГСКБ практически прекратил свое существование. Сегодня за рубежом комбайны подобного типа выпускаются и широко распространены (табл. 1.8).
Мини-комбайны КТ-80 (рис. 1.39) и КТ-100 фирмы «Asa-Lift» выполнены на базе овощеуборочных машин, на которых эта фирма в основном и специализируется. Основные особенности – боковая подкапывающее-сепарирующая секция (аналогично отечественной машине ВК-30), расположенная справа от трактора (рисунок 1.39 а), поперечный инспекционный стол, рассчитанный на 2-х переборщиков, и платформа для установки 2-х контейнеров (ящичных поддонов).
Методики лабораторно-полевых исследований свойств компонентов картофельного вороха
В механических отделителях примесей используется разница свойств компонентов разделяемого вороха (клубней картофеля, почвенных комков, растительных примесей, камней). Компоненты имеют различия по фрикционным свойствам (трение скольжения и трение качения) [275], прочности, упругости, аэродинамическому сопротивлению (скорости витания) и др. Качественная работа устройств данной группы возможна при поштучной и малой подаче вороха; их функционирование во многом зависит от работы органов первичной сепарации, которые отделяют основную массу почвы.
Сепарирующие горки и их комбинации являются наиболее распространнными среди устройств для вторичной сепарации [52, 95, 135]. Они используются в большинстве современных технологических схем картофелеуборочных комбайнов и копателей-погрузчиков, как отечественных, так и зарубежных. Сепарирующие горки предназначены для выделения из вороха корнеклубнеплодов растительных и почвенных примесей. Классификация горок представлена на рисунке 1.62. Исследованиями сепарирующих горок занимались многие исследователи: Н.В. Бышов, Л.А. Вергейчик, Н.И. Верещагин, Н.Г. Гладков, Л. Даневски, Н.Ф. Диденко, В.В. Замешаев И.М. Зорин, Н.Н. Колчин, А.П. Кроптов, В.Ю. Кривошеев, М.Н. Летошнев, Ю.А. Ляменков, Г.Д. Петров, А.А. Попов, А.А. Сорокин, Г.Д. Терский, Н.В. Тютрин, М.Б. Угланов, И.А Успенский, В.А. Хвостов, W. Rosel, W. Nоack и др. [52, 69, 76, 95, 99, 130, 138, 195, 204, 278, 299, 309]. В соответствии с классификацией (рис. 1.62) сепарирующие горки могут быть с неподвижной рабочей поверхностью и с движущимся полотном.
Рабочим органом скатной горки с неподвижной рабочей поверхностью (рис. 1.63-а) является плоскость, наклоненная к горизонту под большим углом, нежели угол трения качения компонентов картофельного вороха. Исследования показывают, что округлые тела (клубни) с меньшим коэффициентом трения падают дальше, а шероховатые и плоские (комки почвы и камни), имеющие больший коэффициент трения, ближе. Однако испытания такого рабочего органа на эффективность разделения клубней и комков дали неудовлетворительные результаты, так как дальность их полета после соскальзывания с поверхности горки мало различалась. Кроме того, длинные скатные горки плохо компонуются в машине [130]. Поэтому на сегодняшний день используются только сепарирующие горки с движущимся полотном.
В основу работы сепарирующих горок с движущимся полотном положен принцип разделения компонентов сепарируемого вороха по различию их коэффициентов трения. Процесс работы данного рабочего органа заключается в следующем. На движущуюся наклонную поверхность (горку) подают сепарируемый ворох, состоящий из почвы (в том числе почвенных комков), клубней и растительных примесей. Полотно горки увлекает компоненты вороха, причем в зависимости от их коэффициента трения о поверхность этот процесс протекает по-разному. Почва и свободные растительные примеси – ботва и сорняки - удерживаются на ней, а клубни скатываются, так как имеют меньший коэффициент трения о материал полотна горки [130, 204]. Движущейся поверхностью примеси выносятся за пределы уборочной машины и выбрасываются на поле. Процесс сепарации вороха, осуществляемый таким способом, называют выносным.
Классификация органов вторичной сепарации [216]. Горки с гладким полотном для удаления стеблей ботвы, сорняков и почвы из картофельного вороха не нашли применения, так как в отличие от пальчатых горок, широко применяемых на сегодняшний день, после их работы в таре с клубнями содержалось большое количество растительных примесей [273]. Пальчатая горка представляет собой ленточный наклонный конвейер, полотно которого выполнено из резинокордного материала и имеет на своей поверхности выступы в виде конических пальцев. Достоинством пальчатой горки является низкая величина повреждений клубней [58, 95, 143]. В зависимости от возделываемой культуры (картофель, морковь, томаты и др.) и почвенно-климатических условий (типа и структуры почвы, ее влажности, количества растительных примесей и камней, и др.) оптимальные значения параметров полотна горки и угла ее наклона могут быть различными. В картофелеуборочных машинах наибольшее распространение получили горки, пальцы которых имеют следующие параметры [95, 195]: - шаг пальцев - 25х25 мм при расположении их по квадрату; - длина пальцев - 40 мм; - форма коническая при диаметре у основания 18 мм, у вершины - 10 мм.
Исходя из анализа литературных данных [52, 181] следует, что продольным и поперечным пальчатым горкам отдается приоритет среди рабочих органов выносной сепарации.
При поперечном наклоне полотна и верхней подаче материала траектория движения частиц определяется действием сил в двух направлениях: продольном (вниз) под влиянием силы тяжести и поперечном под действием силы трения. Так как коэффициенты трения частиц почвы и клубней не одинаковы, то силы трения и траектории движения будут различными. Сначала скатываются клубни и округлые примеси. Растительные примеси и комки почвы неправильной формы увлекаются полотном и уносятся в сторону.
Методика исследований технологических процессов и сравнительных полевых испытаний картофелеуборочных комбайнов
Проведенный в первой главе данной работы анализ показал, что наиболее распространенными в сельскохозяйственных предприятиях РФ на сегодняшний день являются двухрядные бункерные комбайны «классической» двухъярусной компоновки. Данная компоновочная схема используется уже несколько десятилетий и является настолько удачной, что за это время не потеряла своей актуальности, поэтому, хотя рабочие органы комбайнов постоянно совершенствуются, их тип, последовательность расположения и компоновка в данной схеме остаются почти неизменными. Наиболее распространенные в РФ модели комбайнов данной схемы: двухрядные DR-1500 (BR-150), AVR-220, КПК-2-01 и их модификации, занимают более половины рынка картофелеуборочной техники в европейской части РФ [160,162,163,164]. Следовательно, «классическую» двухъярусную компоновку можно считать типичной для картофелеуборочных комбайнов, использующихся в РФ.
Рассмотрим типичную компоновочную схему современного картофелеуборочного комбайна (рисунок 2.1). Е условно можно разделить на 5 укрупненных технологических блока (каждому блоку соответствует укрупненная операция): 1) подкапывающий блок, который технически реализуется в виде комкоразрушающих катков 1, дисковых ножей 2 и лемеха 3; 2) блок первичной сепарации, реализуемый в виде основного 4 с интенсификаторами и одного или нескольких дополнительных прутковых конвейеров (5 и 6); 3) блок вторичной сепарации, включающий основную 7 и дополнительную 9 сепарирующие горки (в некоторых моделях дополнительная горка не устанавливается); 4) блок перемещения и инспекционного контроля продукции, содержащий ковшовый 8 и промежуточный 10 конвейеры и инспекционный (переборочный) стол 11; и 5) блок накопления готовой продукции, содержащий бункер 12 с донным выгрузным конвейером. комкоразрушающие катки; 2-дисковые ножи; 3-лемех; 4-основной конвейер; 5-первый дополнительный конвейер; 6-второй дополнительный конвейер; 7-ковшовый конвейер; 8-сепарирующая горка; 9-дополнительная сепарирующая горка; 10-промежуточный конвейер; 11-инспекционный (переборочный) стол; 12-бункер - технологические операции и технические средства, требующие совершенствования
Анализ схемно-конструктивных решений рабочих органов картофелеуборочных комбайнов, проведенный в главе 1 данной работы, позволил выявить наиболее «слабые» места в технологическом процессе уборки – это операции первичной и вторичной сепарации. Основными сложностями, возникающими при этом, являются: - для первичной сепарации – недостаточная сепарирующая способность из-за сгруживания клубненосного пласта на отдельных участках по ширине прутковых конвейеров (при отсутствии приводных интенсификаторов сепарации, установленных над поверхностью конвейеров), или повышенные повреждения клубней (при наличии таких интенсификаторов); - для вторичной сепарации – забивание клубнеотражателя горки примесями и повышенные повреждения клубней (при наличии клубнеотражателя), или повышенные потери клубней (при отсутствии клубнеотражателя).
Следует отметить, что данные сложности проявляются при работе комбайнов не постоянно, а лишь в неблагоприятных («тяжелых») условиях, которые характеризуются определенными значениями внешних факторов, влияющих на процесс уборки. Таким образом, разрабатываемая модель процесса сепарации должна учитывать как основные конструктивные особенности рабочих органов комбайна, выполняющих требующие совершенствования технологические операции, так и внешние условия их использования.
Анализ, проведенный в первой главе диссертационной работы, показал, что наиболее перспективными направлениями совершенствования технологических операций и органов как первичной, так и вторичной сепарации, являются: - использование приводных интенсификаторов сепарации, расположенных над сепарирующим полотном рабочих органов, обеспечивающих возможность повышения интенсивности сепарации в тяжелых условиях; 125 - изготовление рабочих элементов интенсификаторов сепарации из эластичных материалов, для ограничения повреждений клубней; - обеспечение разнонаправленности воздействия упругих рабочих элементов интенсификаторов сепарации на картофельный ворох в наиболее загруженных зонах по ширине рабочей поверхности сепарирующих органов, для его перераспределения и, как следствие, повышения эффективности выделения примесей.
Процесс сепарации характеризуется эксплуатационно технологическими показателями. Осуществление технологического процесса должно производиться в соответствии с эксплуатационно-технологическими требованиями. Модель технологического процесса сепарации картофелеуборочного комбайна будем рассматривать как необходимую и достаточную совокупность выражений, характеризующих безотказное осуществление технологического процесса, и описывающих количественные и качественные показатели этого процесса.
В общем виде результат процесса сепарации можно описать при помощи системы неравенств, характеризующих соответствие эксплуатационно-технологических и качественных показателей процесса основным необходимым требованиям:
