Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 7
1. Природно-климатические условия Приморского края 7
1.2.Почвы Приморского края и их физико-механические свойства 9
1.3. Основные показатели по возделыванию картофеля в Приморском крае 16
1.4. Анализ конструкций подкапывающих рабочих органов картофеле уборочных машин 19
1.5.Технологические приемы уборки картофеля 34
1.6. Классификация подкапывающих органов 36
1.7. Выводы, цель и задачи исследования 39
Глава 2 Теоретические исследования 41
2.1. Обоснование условий и формы ядра уплотнения, создаваемого подкапывающим органом 41
2.2. Напряженно-деформированное состояние пласта почвы при взаимодействии с подкапывающим органом 52
Глава 3 Программам методика экспериментальных исследований 61
3.1. Задачи экспериментальных исследований 61
3.2.Условия проведения экспериментальных исследований 61
З.З. Методика определения физико-механических характеристик почвы ... 62
3.3.1. Определение влажности почвы 62
3.3.2. Определение твердости почвы 63
3.4. Частные методики исследований 64
3.4.1. Лабораторная установка для проведения исследований 64
3.4.2.Измерение усилия подкапывания 67
3.4.3. Измерение пройденного пути , 69
3.4.4. Средства измерений, тарировка тензометрического звена 69
3.4.5. Средства для проведения полевых исследований и методика их проведения 75
3.5, Методика оценки сепарирующей способности подкапывающих органов 80
3.6. Методика математической обработки экспериментальных данных 81
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 86
4.1. Влажность почвы 86
4.2.Твердость почвы 88
4.3. Липкость почвы 91
4.4. Влияние конструкции подкапывающего органа на силовые и технологические параметры работы картофелекопателя 93
4.5.Результаты производственной проверки 101
Глава 5 Технико-экономическое и энергетическое обоснование эффективности внедрения предлагаемой конструкции подкапывающего органа 104
5.1. Технико-экономические показатели 104
5.2,Энергетическая эффективность внедрения пальцевого подкапывающего органа 107
Список использованной литературы 113
Приложения
- Природно-климатические условия Приморского края
- Анализ конструкций подкапывающих рабочих органов картофеле уборочных машин
- Методика определения физико-механических характеристик почвы
- Влияние конструкции подкапывающего органа на силовые и технологические параметры работы картофелекопателя
Введение к работе
Картофелеводство является одной из наиболее крупных отраслей земледелия. Картофель широко используется на продовольственно-кормовые цели, а также является ценным сырьем для промышленности. Как сырье он используется в пищевой, химической, фармацевтической, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности [18, 19].
Несмотря на широкое распространение картофеля, выращивание его связано с большими затратами труда и средств. Особенно трудоемкой операцией является уборка клубней [28, 29, 39]. Из всех трудозатрат производства картофеля на уборку клубней расходуется 40.. .45% .
За последние годы в решении вопроса механизации уборки картофеля достигнуты определенные успехи, однако, нет оснований считать полученные результаты в полной мере удовлетворяющими требованиям производства. Пока не удалось создать картофелеуборочную машину, которая позволяла бы убирать клубни чистыми и неповрежденными, с минимальными затратами труда [45, 46].
Отсутствие таких машин объясняется рядом объективных причин. К таким причинам, прежде всего, можно отнести почвенно-климатические условия Приморского края. В Приморском крае уборка картофеля обычно производится в условиях переувлажненной почвы, затрудняющих работу подкапывающих органов картофелеуборочных машин. При повышенной влажности такая почва приобретает свойства пластичности и липкости. Под механическим воздействием пластичные комки почвы не разрушаются, а лишь изменяют свою форму. В районах же с пониженной влажностью, образуются почвенные комки и глыбы, которые невозможно разрушить без существенных повреждений клубней [47, 48, 51, 62].
Существующие комбайны К~3, КГП-2 и ККУ-2 "Дружба" удовлетворительно работают только на легких и средних почвах в определенных пределах влажности. Поэтому на почвах с повышенной и пониженной влажно- стью приходится убирать картофель копателями с последующей ручной подборкой клубней [67, 69, 116, 117].
Большое влияние на уборку картофеля оказывают и почвенные усло-вия. Во многих района Приморского края почвы засорены камнями, которые являются причиной деформации подкапывающих и сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин. Камни с размерами, большими и приближающимися к клубням картофеля, трудно отделить от последних. Однако одним из основных факторов, сдерживающих применение картофелеуборочных машин, является отсутствие эффективных подкапывающих органов. Сложность создания подкапывающих и сепарирующих органов, удовлетворяющих агротехническим требованиям, заключается в том, что при любом методе подкопки, клубни поступают на подкапывающие и сепарирующие органы вместе с большим количеством почвы. В массе, поступающей на подкапывающие и картофелеуборочные рабочие органы машин, содержится 1,5...3% клубней и 97...98,5% почвы [20, 22, 23, 32], которая состоит из ком- ков, многие физические свойства которых перекликаются с физическими свойствами картофеля. Чтобы отделить такие комки от клубней, необходимо их разрушить до размеров, меньших размеров клубней, что не всегда удается осуществить без повреждения последних. Хранение же таких клубней связано с большими потерями и с изменением вкусовых и питательных качеств.
С целью совершенствования подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин и создания новых, более работоспособных кон струкций, проведены многочисленные исследования рабочих органов карто фелеуборочных машин [11, 37, 38, 41].
Большой вклад в технологию возделывания и уборки картофеля на Дальнем Востоке внесли следующие ученые: Бурлака В.В., Гнедин СИ., Воложений А.Г., Голубев В.В., Казьмин Г.Т., Емельянов A.M., Гуров A.M., Жу-ковин А.Т., Панасюк А.Н., Пецик А.Н., Терентьев Ю.В, Кашпура Б.И., Иванов Г.И., Качияни А.И., Кириленко Ю.П., Камчадалов Е.П., Рафальский СВ.,
Киселев Е.П., Коршунов А.В., Новоселов А.К., Кравец В.Л., Ступин В.М., б Тильба В.А., Солоников С.А., Сысорев Н.Д., Кофан Н.Г., Цимерман М.А., Зорин И.М. и др. [73, 74, 75, 76, 78, 79, 82, 101, 102, 105, 107]
При разработке подкапывающих и сепарирующих органов отечественные и зарубежные исследователи использовали различные свойства и признаки компонентов грядки: геометрические размеры, форму и свойства поверхности, упругость, пластичность, липкость, твердость, механическую прочность, водопрочность, плотность, объемную массу, аэродинамические свойства и т.д. [25, 70, 85, 89, 96, 108]
Поиски удовлетворительно работающих подкапывающих и сепарирующих органов в сочетании с таким широким многообразием признаков и свойств компонентов грядки, привели к созданию большого количества разнообразных конструктивных схем картофелеуборочных машин [93, 110, 111, 112].
Однако теоретический анализ и практика работы устройств и механизмов для отделения клубней от почвенных комков в картофелеуборочных машинах отечественного и импортного производства показывают, что они не отвечают всем агротехническим требованиям уборки картофеля. Пока ещё не найден эффективный способ отделения примесей и главным образом почвенных комков от клубней картофеля без их повреждения. Поэтому проблема поиска подкапывающих рабочих органов не утратила своего значения, а вопрос создания и исследования, новых более эффективных подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин является актуальным.
Природно-климатические условия Приморского края
Климат Приморского края муссонный, с ярко выраженной континен-тальностью. Весенние муссоны холодные. Весна как правило затяжная. Повышение температуры от 0С до 10С происходит за 50...70 дней на побережье и за 30...35 дней - в континентальных районах [8, 33, 80]. Теплый период (период с положительной среднесуточной температурой воздуха выше 0С) начинается в третьей декаде марта и длится до конца второй декады ноября, составляет 215...245 дней (рис. 1.1). Средняя продолжительность безморозного периода колеблется от 90 дней в северной части гор Сихотэ-Алиня до 195 дней в южной части края. В сентябре при среднесуточных температурах 10С возможны заморозки, после которых прекращается вегетация теплолюбивых культур.
В первой половине лета растения обычно страдают от почвенной засухи, не меньший вред причиняют периодически повторяющиеся суховеи. В течении мая возможны заморозки. Во второй половине лета выпадает основная масса осадков, которые переувлажняют почву, а периодически повторяющиеся субтропические циклоны вызывают наводнения. Обилие ливневых
s осадков и проходящих циклонов благоприятствуют развитию эрозии почв. В этот период относительная влажность воздуха повышается до 80...90 %, что при высоких положительных температурах создает благоприятные условия для развития вредителей и болезней сельскохозяйственных культур.
Вегетация большинства культур совпадает с температурным периодом более 10С. От его продолжительности и обеспеченности теплом во многом зависят рост и развитие сельскохозяйственных растений. Сумма температур за период 10С и выше на территории края колеблется от 2650 до 1800, увеличиваясь с севера на юг и уменьшаясь с высотой местности, средняя продолжительность его колеблется от 132 до 155 дней в центральных и 114... 139 - в остальных районах. Следовательно, термические ресурсы края обеспечивают ежегодное вызревание картофеля, зерновых и прочих с/х культур на всей территории края. Картофель можно выращивать во всех районах края. Естественное отмирание ботвы картофеля наблюдается крайне редко. Прекращение её вегетации связано с переувлажнением, болезнями и вредителями.
Среднемноголетние суммы осадков вегетационного периода на территории края колеблются от 350 до 600 мм. Но неравномерное выпадение их в течение вегетационного периода и по годам неблагоприятно сказываются на росте и развитии сельскохозяйственных культур. Максимальное количество осадков выпадает почти повсеместно в августе, сентябре, когда многие культуры прекращают вегетацию и наступают сроки уборки (рис. 1.2).
Влажность пахотного слоя в первой половине лета практически ежегодно опускается до влажности завядания, но довольно часто почва переувлажняется. Поэтому посадку картофеля производят в первой, второй декаде мая, когда остается весенний запас влаги.
Почвы Приморского края в основной своей массе имеют низкий коэффициент фильтрации, приближающийся к нулю. Эти почвы имеют маломощный бесструктурный пахотный слой, который не в состоянии принять в себя выпавшую дождевую воду [12, 17]. Тяжелый по механическому составу, водонепроницаемый оподзоленный подпахотный горизонт препятствует свободному проникновению излишней влаги в нижележащие слои почвогрун-тов. Водопроницаемость гумусного горизонта равна 1,2...2,6 м, а подпахотного (с глубины 20...30 см) - 0,005...0,04 м за сутки. По этим причинам вода застаивается на полях до тех пор, пока не испарится в атмосферу. Испарение же её из-за высокой влажности воздуха происходит очень медленно. Переувлажнение приводит к сильному уплотнению почвы. После выпадения обильных осадков, характерных для муссонного климата Приморья, почвы "заплывают" [9, 61]. И к моменту уборки картофельные грядки представляют собой довольно прочный монолит.
К основным физико-механическим свойствам почвы относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке [34, 35, 40, 42, 43, 71].
Пластичность - это способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы [13, 118, 131]. Пластичность проявляется только при влажном состоянии почвы. Пластичность теснейшим образом связана с механическим составом почв. Глинистые почвы характеризуются числом пластичности более 17, суглинистые — в пределах 7...17, для супесей число пластичности меньше 7. В Приморском крае преобладают суглинистые почвы и число их пластичности составляет 10. ..15.
Анализ конструкций подкапывающих рабочих органов картофеле уборочных машин
На территории Приморского края насчитывается около 53700 га занимаемых картофелем включая товаропроизводителей всех форм собственности (рис. 1.4), из них 48600 га (90%) занимают личные подсобные хозяйства и с каждым годом их количество увеличивается, при общем падении уровня жизни населения России значимость картофеля, как "второго хлеба" с каждым годом увеличивается. Поэтому крупным с/х предприятиям экономически невыгодно возделывать картофель, ввиду неэффективности реализации продукции, из-за высокой трудоемкости и себестоимости его производства, тем самым посевные площади с/х предприятий постоянно сокращаются и составляют около 5000 га (6%) на сегодняшний день. Посевные площади крестьянских хозяйств составляют незначительную часть, около 2500 га (4%).
Уровень урожайности картофеля в 2002...2005 гг. достигал 80...145 ц/га, этот показатель зависит от климатического фактора Приморского края. Рост урожайности достигается рациональным культивированием сортов за счет снижения посевных площадей [126, 138]. Рост урожайности отмечен в личных подсобных хозяйствах на 125 ц/га и в крестьянских хозяйствах на 105 ц/га (рис. 1.5).
Причина роста урожайности - это использование земель с/х предприятий, которые своевременно обрабатывались согласно агротехническим нормам, аккумулировав запас питательных веществ в почве.
Валовой сбор картофеля за рассматриваемый период 2002...2005 гг. составил 3000...5500 ц (рис. 1.6). Валовой сбор увеличился за счет повышения урожайности, основную долю составляют личные подсобные хозяйства (5500 Ц.)
На себестоимость картофеля большое влияние оказывают затраты на его производство, ценовая политика государства, а также конкуренция производителей [126]. Уровень себестоимости картофеля за период с 2002 по 2005 годы приведен на рис. 1.7. Рост себестоимости картофеля отмечен лишь у с/х предприятий до 3000 руб за тонну, в личных подсобных и крестьянских хо зяйствах эта информация отсутствует, так как большая часть продукции реализуется на рынок, а остаточное количество на собственные нужды
Из анализа приведенных данных следует, что личные подсобные хозяйства вытесняют крупные с/х предприятия с картофельного рынка и обеспечивают необходимую потребность населения в этом продукте.
Создание картофелеуборочных машин с высокой подкапывающей способностью и с минимальной повреждаемостью клубней - вот та главная задача, которая волнует исследователей на протяжении всего периода развития картофелеуборочных машин. С целью решения этой задачи были проведены многочисленные исследования по определению физико-механических свойств компонентов грядки и по усовершенствованию подкапывающих рабочих органов.
Анализ имеющихся теоретических и экспериментальных исследований работы подкапывающих органов показал, что эти исследования направлены по двум основным путям. Часть исследователей изучает различные способы подкопа, основанные на использовании тех или иных физико-механических свойств компонентов почвенной грядки, поступающей на подкапывающие органы картофелеуборочных машин, а другая часть занимается вопросами сепарации подкопанного пласта на элеваторах [53, 56, 57, 66].
Для выявления основных причин, оказывающих влияние на эффективность работы подкапывающих органов и создания на их основе нового рабочего органа был проведен анализ работ, посвященных разработке и исследованию подкапывающих органов.
Известна конструкция выкапывающего рабочего органа пружинного типа [5], общий вид которого представлен на рис. 1.8, технологический процесс работы которого представлен на рис. 1.9, а составные элементы рабочего органа представлены на рис. 1.10.
Подкапывающий орган содержит рыхлящую, деформируемую сепарирующие части 2, выполненные в виде набора конусных пружин, передний конец витка которых выполнен заостренным для обеспечения прокалывания почвы.
Подкапывающий орган снижает энергоёмкость рабочих процессов, улучшает сепарирующие функции, агрофизические свойства почвы при одновременном повышении производительности и надежности устройства.
Для получения дополнительного эффекта, выражающегося в улучшении качества обработки почвы, за счет её дополнительного измельчения гранями прутков спирали рабочего органа, он может быть выполнен из профиля многоугольного сечения.
Методика определения физико-механических характеристик почвы
Задачи экспериментальных исследований вытекают из результатов анализа состояния вопроса и теоретических предпосылок. Основными задачами являются следующие: — определение физико-механических характеристик почвы. — проверка теоретических предпосылок в лабораторных условиях на экспериментальной установке. — изготовление экспериментальной конструкции подкапывающего органа и его испытания в полевых условиях. — установить влияние конструкции подкапывающего органа на сепарацию почвы и усилие подкапывания в лабораторных и полевых условиях.
Проведение экспериментальных исследований работы подкапывающего органа имеет ряд трудностей, связанных с воздействием на процесс многих трудноучитываемых факторов [15, 26, 27]. К таким факторам, прежде всего, относятся: а) состояние почвенного пласта (влажность, состав почвы, твердость, степень измельчения, плотность); б) загрузка подкапывающего органа (скорость подачи почвы); в) поведение почвенного пласта на поверхности подкапывающего орга на (толщина подаваемого слоя, зависящая от угла наклона подкапывающего органа).
Выявить влияние каждого из этих факторов на кинематику движения материала по поверхности подкапывающего органа очень трудно. Поэтому при проведении лабораторных исследований подкапывающего органа, такие факторы, как влажность, состав почвы, твердость, выбирались близкими к реальным условиям уборки картофеля и поддерживались по возможности постоянными [36, 52].
Лабораторные исследования проводились на почвенном канале, длиной 20 метров. Влажность почвы поддерживалась в пределах 17...20%. Твердость почвы регулировалась прикатыванием и поддерживалась в пределах от 1,49 до 3,21 МПа. Сущность метода заключается в определении потери влаги при высушивании почвы. Предельное значение суммарной относительной погрешности метода при доверительной вероятности Р=0,95 составляет: 7%-при влажности почвы до 10%; 5%-при влажности- почвы свыше 10%. Отбор, упаковку, транспортировку проб проводили согласно ГОСТ 17.4. 4.02. ГОСТ 12071.
Для взвешивания использовали весы лабораторные 4-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 100 г по ГОСТ 24104. Шкаф сушильный, с регулятором температуры от 80 до 105С и погрешностью регулирования до 2С. Стаканчики весовые, алюминиевые с крышками ВС - 1.
Почвенные пробы помещали в пронумерованные, высушенные и взвешенные стаканчики и закрывали их крышками. Стаканчики взвешивали с погрешностью не более 0,1 г. Почву высушивали до постоянной массы при температуре (1052)С. Время высушивания почвы - 5 ч.
Массовые отношения влаги в почве (W) в процентах вычисляли по формуле (3.1): y = m m..100, (3.1) т0 —т где ті масса влажной почвы со стаканчиком и крышкой, гр; то - масса высушенной почвы со стаканчиком и крышкой, гр; т - масса пустого стаканчика с крышкой, гр. За результат анализа принимали среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений.
Влияние конструкции подкапывающего органа на силовые и технологические параметры работы картофелекопателя
Технико-экономический эффект от применения картофелекопателя, определим на примере сравнения эксплутационных затрат при базовом подкапывающем органе и проектном [97, 114].
При изготовлении подкапывающих органов взяли затраты из расчета 34 руб/кг. Затраты на изготовления пары подкапывающих органов обходятся в 2400 руб, а плоского подкапывающего органа 3200 руб. Заводская стой-мость копалки составляет 86 550 руб.
Затраты на изготовление нового типа подкапывающего органа снизились за счет изменения конструкции подкапывающего органа, путем вырезания пальцев, уменьшился вес самого подкапывающего органа. Путем частичной сепарации почвы на экспериментальном подкапывающем органе, снизилось усилие на картофелекопатель в целом, а это повлекло незначительное снижение затрат топлива, повысило производительность картофелекопателя.
Показатели экономической эффективности от применения картофелекопателя с новым типом подкапывающего органа определяли следующим образом [49, 97, 114, 124, 144]. Все вычисления производим в расчете на годовой объем работ 70 га/га.
Находим затраты эксплутационные в проектном и базовом варианте по следующим формулам:
Применение методов оценки производства сельскохозяйственных культур по затратам труда и экономическим показателям в ряде случаев является недостаточным, поскольку эти показатели имеют существенные колебания, определяемые политикой ценообразования, и не позволяют установить уровень необходимых затрат энергии на производство про-дуктов [97]. Все возрастающий дефицит энергии, требует такого подхода к оценке механизированных технологий и технологических процессов, при котором, должны учитываться энергетические затраты на производство сельскохозяйственной продукции.
Предлагаемая технология уборки картофеля отличается от базовой тем, что на картофелекопателях применяется не плоский, а пальцевый под капывающий орган. Экономический эффект достигается за счет снижения силы сопротивления подкапыванию [124, 134].
Определим совокупные энергозатраты технологического процесса подкапывания. При этом в базовом варианте агрегат состоит из трактора МТЗ - 82 и картофелекопателя ККН - 1,4 с плоским подкапывающим органом, в предлагаемом варианте - из трактора МТЗ - 82 и этого же картофелекопателя, переоборудованного пальцевым подкапывающим органом.
1.Выявлено, что существующие подкапывающие органы в условиях Приморского края не обеспечивают эффективного подкапывания, ввиду большого сопротивления подкапыванию и залипання рабочих органов почвой. Предлагаемый подкапывающий орган позволяет снизить тяговое сопротивление на 10...15% и обладает лучшей самоочищаемостью,
2.Теоретически обоснованы условия образования ядра уплотнения, усилия сопротивления подкапыванию с учетом конструктивных параметров и режимов работы подкапывающих органов.
3.Предлагаемый подкапывающий орган при увеличении скорости движения на 0,06 м/с, позволяет увеличить производительность на 0,10 га/ч. При этом повышается качество технологического процесса (собрано картофеля в емкости на 2,3% больше, оставлено на поверхности поля на 0,1% меньше, оставлено в почве на 1,9% меньше, повреждено рабочими органами копателя на 0,5% меньше).
4.Результаты полевых исследований подтверждают результаты теоретических и экспериментальных исследований и дают удовлетворительное согласование в пределах зоны доверительного интервала.
5.Доказана экономическая и энергетическая эффективность применения подкапывающего рабочего органа. Снижены прямые эксплутационные затраты на 21,24%, расходы ГСМ снизились на 3,27%, что позволяет уменьшить энергозатраты картофелекопателя на 669,85 МДж/га. Годовой экономический эффект составил 18842,85 руб.
