автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя

На правах рукописи

005015330

ГРАКОВ Федор Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ПЛУГА-КАРТОФЕЛЕКОПАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МЛР гт

Челябинск-2012

005015330

Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие и посевные машины» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроин-женерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рахимов Раис Саитгалеевич

Официальные оппоненты: Капов Султан Нануович,

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Информационные технологии и моделирование» Челябинской государственной агроинженерной академии

Охотников Борис Лазаревич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Уральской государственной сельскохозяйственной академии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский

государственный аграрный университет»

Защита состоится «22» марта 2012 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «21» февраля 2012 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

""" Возмилов

Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время более 80% товарного картофеля производится в хозяйствах населения, фермерских и крестьянских хозяйствах, имеющих небольшие посевные площади и низкий уровень механизации. Для таких хозяйств нужна недорогая универсальная техника, которая могла бы при соблюдении необходимых агротехнических требований к возделыванию картофеля и при минимуме переналадок выполнять основные технологические операции: вспашку, удаление ботвы и выкапывание клубней картофеля. Наиболее энергоёмкими операциями при возделывании картофеля являются подготовка почвы к посадке и выкапывание клубней. В настоящее время машины, применяемые в технологической цепочке возделывания картофеля, обладают целым рядом недостатков (узкая специализация, большие потери и травмирование клубней, высокая стоимость и др.). В связи с этим тема исследования, направленная на создание эффективной универсальной машины со сменным рабочим органом, является актуальной и имеет народно-хозяйственное значение.

Цель работы. Обоснование технологической и конструктивной схем, параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя для улучшения агротехнических и снижения энергетических показателей его работы.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи исследования:

1) обосновать технологический процесс работы и конструктивную схему комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-каргофелекопателя, составить расчетные схемы и исследовать процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа с клубненосным пластом почвы, установить технологические параметры комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя;

2) установить влияние конструктивных параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя на его агротехнические и энергетические показатели работы и обосновать рациональные параметры комбинированного рабочего органа;

3) изготовить опытный образец плуга-картофелекопателя, провести его испытания и сравнить полученное результаты с показателями серийного картофелекопателя;

4) разработать чертёжно-техническую документацию комбинированного рабочего органа и дать экономическую оценку эффективности применения лемешно-роторного плуга-картофелекопателя.

Объект исследования. Технологический процесс выкапывания клубней картофеля комбинированным рабочим органом лемешно-роторного плуга-картофелекопателя.

Предмет исследования. Зависимости между конструктивными параметрами, режимом работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, агротехническими и энергетическими показателями его работы при выкапывании клубней картофеля.

Методологическая и теоретическая основа исследований. Теоретические исследования базировались на методах аналитического и графического моделирования взаимодействия клубненосного пласта с пассивным корпусом, имеющим укороченный отвал, и с лопатками ротора.

При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики о применением современного оборудования.

Научная новизна выносимых на защиту вопросов:

1. Впервые обоснована конструктивная схема и режимы работы комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя. Новизна способа выкапывания клубней и технического решения на выполнение технологического процесса защищена патентом РФ на изобретение № 2409926.

2. Разработана технологическая схема и получены аналитические модели процесса выкапывания картофеля, определены рациональные конструктивные параметры и режимы работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, обеспечивающие выполнение агротребований.

3. Получены зависимости для определения энергозатрат на выполнение технологического процесса выкапывания картофеля комбинированным рабочим органом плуга-картофелекопателя.

Практическая значимость исследования и реализация результатов:

1. Результаты исследований использованы проектно-конструк-торским отделом ООО ИПП «ТехАртКом» при разработке и производстве универсального плуга-картофелекопателя.

2. Результаты исследования внедрены в технологический процесс возделывания картофеля ООО «Совхоз „Каштакский"» и ГНУ ЮУНИИПОК.

3. В 2004 году работа была поддержана грантом по программе развития НИР студентов, аспирантов и молодых ученых в высших учебных заведениях Челябинской области, осуществляемой Министерством образования и науки РФ и правительством Челябинской области.

4. Результаты исследований используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии при изучении курса «Почвообрабатывающие и посевные машины».

Апробация. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии в 2004-2011 гг., Казахского национального аграрного университета г. Алматы в 2008 г., ТатНИИСХ г. Казань в 2011 г.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в восьми научных статьях, две из которых в изданиях, включенных в перечень ВАК, по результатам исследования получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит введение, пять глав, выводы и рекомендации. Список использованной литературы состоит из 136 наименований; работа содержит 54 рисунка, 24 таблицы и 16 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основе изучения литературных и патентных источников проведен анализ современных технологий и машин для выкапывания картофеля, а также физико-механических свойств почвы и клубней картофеля. Представлен обзор и классификация способов выкапывания картофеля и применяемых для этого устройств и машин.

Изучены труды по взаимодействию рабочих органов с почвой и работы по механизации возделывания картофеля ученых В.П. Го-рячкина, В.В. Бледных, М.Е. Мацепуро, Б.Л. Охотникова, А.П. Дорохова, М.Д. Подскребко, P.C. Рахимова, С.Н. Капова, П.Г. Свечни-кова, О.В. Гордеева, В.И. Митрофанова, Г.Д. Петрова, К.С. Вернера, В.И. Табачук, Г.П. Солодухина, В.И. Вилимас, А.И. Иванова, А.Ж. Мурзагалиева и др. Анализ работ показал возможность выкапывания клубней картофеля комбинированным рабочим органом, состоящим из пассивного корпуса и активного ротора. Также установлено, что для снижения травмирования клубней взаимодействие сепарирующих элементов картофелеуборочных машин с клубнем картофеля должно происходить через почвенную прослойку, при этом скорость соударения должна быть не более 6 м/с. Кроме того, исследованиями этих ученых доказано влияние на травмирование картофеля сорта, размеров и зрелости клубней.

В настоящее время более 50% товарного картофеля производится в хозяйствах с площадью возделывания до 15 гектаров. Для таких хозяйств необходимы недорогие мобильные картофелеуборочные машины, имеющие простую конструкцию и способные работать в различных условиях.

Проведенные поисковые эксперименты показали, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает лемешно-роторный плуг ПЛР конструкции ЧГАА, который имеет комбинированный рабочий орган, состоящий из пассивного корпуса с укороченным отвалом и активного ротора с приводом от ВОМ трактора. Апробирование данного плуга при выкапывании картофеля показало, что клубни не имеют повреждений от взаимодействия с ротором и располагаются полосой на убранном участке, но значительная их часть присыпана землёй. Снижение потерь картофеля при выполнении данной технологической операции требует уточнения и обоснования параметров верхнего яруса ротора и режимов работы такого комбинированного рабочего органа.

На основании вышесказанного была сформулирована следующая рабочая гипотеза: выкапывание картофеля и вынос клубней на поверхность поля с соблюдением агротехнических требований могут быть обеспечены использованием плуга ПЛР с измененной конфигурацией роторного рабочего органа (патент № 2236771).

В соответствии с гипотезой определены цель и задачи исследования.

Во второй главе «Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя» представлены результаты теоретических исследований по обоснованию технологии, режимов работы и конструктивных параметров комбинированного рабочего органа.

Согласно разработанной технологии (рисунок 1), выкапывание клубней картофеля, посаженных по гребневой технологии, производится с одного рядка следующим образом: лемешно-роторный плуг-картофелекопатель, двигаясь по полю со скоростью Уагр, подкапывает пассивным корпусом клубненосный пласт на глубину а, приподнимает его, частично разрушает и под определенным углом и скоростями К, V подаёт на ротор, вращающийся с угловой скоростью со и окружной скоростью ¥окр, где пласт подвергается ударному воздействию лопаток ротора, которые отбрасывают клубни на поверхность поля, в правую сторону от прохода агрегата полосой шириной Ь.

Рисунок 1 - Технологическая схема выкапывания картофеля комбинированным рабочим органом лемешно-роторного плуга-картофелекопателя

На технологический процесс выкапывания картофеля оказывают влияние следующие параметры комбинированного рабочего органа и режимы его работы (рисунок 2): п — частота вращения ротора, об/мин; - скорость движения агрегата, м/с; 1р12 - положение ротора относительно укороченного корпуса, м; Л-радиус ротора, м; углы наклона а и установки у/ лопаток верхнего яруса ротора, град.; 2 - количество лопаток верхнего яруса ротора, шт. Данные параметры необходимо исследовать и обосновать.

Рисунок 2 — Параметры комбинированного рабочего органа

Роторный рабочий орган включает в себя три яруса (рисунок 2). Нижний ярус образуют винтовые лемехи, которые, вращаясь, приподнимают попавшие на них с укороченного корпуса нижние горизонты клубненосного пласта и направляют их на средний ярус, состоящий из ромбовидных пальцев. Пальцы измельчают клубненосный пласт, отделяя клубни от почвы, и частично отбрасывают их в сторону. Верхний ярус состоит из плоских лопаток, которые в процессе работы ударным воздействием отделяют клубни от почвы и разбрасывают их по полю полосой шириной Ь вправо от прохода агрегата.

Движение клубненосного пласта по комбинированному рабочему органу можно разделить на несколько последовательных этапов:

1) подрезание и перемещение клубненосного пласта по лемешно-огвальной поверхности укороченного корпуса, подача пласта на ротор;

2) взаимодействие пласта с ротором;

3) разбрасывание частиц клубненосного пласта после взаимодействия с ротором по поверхности поля.

На первом этапе происходит частичное разрушение пласта, подъём на определённую высоту от дна борозды Я и отбрасывание со скоростью V (рисунок 3). Предполагается, что появление боковой скорости V в момент схода клубненосного пласта с корпуса будет способствовать снижению ударного взаимодействия с лопатками ротора и уменьшать вероятность травмирования клубней (значение Уу приведено на рисунке 4).

Рисунок 3 - Расчетная схема к определению скоростей схода частиц клубненосного пласта с лемешно-отвальной поверхности укороченного корпуса

Из рисунка 3 проекции скорости V по координатным осям К, Уу К, согласно исследованиям П.Г. Свечникова, будут определяться по выражениям:

/

С

X

БШ/ = БтуБте;

(1)

^Х + СОБХ

V = ¥-(соэй -зту - СО^-соб}' эт//) = Г '---—

V = У-(собп -сову + СО&? -зт)» • я'щ) = V--—

* tgx + соэ

^ЛГ + соэ^

2.0 2530 УеЛ/с

яш-хм Ьазкшай роботы капвпеля Рисунок 4 - Зависимость скорости V от скорости агрегата V при различных Н

Угол траектории движения частицы пласта tj (угол вхождения на клин) можно определить по формуле:

'т = '87 ■ cosе. (3)

В формулах 1,2,3 приняты следующие обозначения:

V— абсолютная скорость движения частиц клубненосного пласта в момент схода с поверхности укороченного корпуса, м/с;

V - составляющие скорости V соответственно по осям X, Y, Z, м/с;

av,ßv, yv-углы, образованные вектором скорости Ve координатными осямиX, Y, Z, град.;

у - угол между горизонтальной проекцией образующих и направлением движения (угол установки образующих к стенке борозды), град.;

е - угол между касательной плоскостью к отвальной поверхности и дном борозды, град.;

ij - угол наклона траектории движения частицы почвы к лезвию лемеха (угол вхождения почвы на клин), град.;

X—угол резания почвы трёхгранным клином, град.

По формулам (2) для различных значений поступательной скорости движения агрегата V определены числовые значения F, Г, Vt в зависимости от положения точки схода частиц клубненосного пласта Я от дна борозды. Положение точки Я определяется согласно рисунку 3 углами r¡ и х

и

Для исключения сгруживания клубненосного пласта и обеспечения равномерности его распределения по поверхности поля необходимо определить количество лопаток верхнего яруса ротора из условия:

(4)

V <У,

О— />'

где V - объём клубненосного пласта, поступающего на ротор, м3/с; V - объём клубненосного пласта, сходящего с ротора, м3/с. Выражая V и V через режимы работы и конструктивные параметры ротора, установлено условие выбора количества лопаток г.

^ а-Ь-Уа,р-30 Ь,-1.-г -я-п

(5)

где - ширина лопатки, м; I - длина лопатки, м;

г - расстояние от центра лопаток до оси ротора, м; п - частота вращения ротора, об/мин; а - глубина подкапывания, м; Ъ - ширина захвата корпуса, м. Расчеты по формуле (5) показывают (рисунок 5), что для обеспечения работоспособности плуга-картофелекопателя на различных режимах работы количество лопаток ротора г должно быть не менее 4.

250об/мин

Ша5/ш ■350 'о5/мин

15 2,0 2.5 3.0 3.5 4.0 Кед м/с

Рисунок 5 - Зависимость количества лопаток г ротора от скорости движения агрегата V при различной частоте его вращения п

На вторам этапе частицы клубненосного пласта после схода с пассивного корпуса взаимодействуют с ротором в условиях открытой борозды.

Для определения рационального положения оси вращения ротора относительно корпуса 1Г 12 (см. рисунок 2), обоснования параметров и режимов работы ротора а, у/, Л, п и технологического параметра I (см. рисунок 1) необходимо определить угол схода частиц клубненосного пласта с лопаток ротора &а (рисунок 6) и скорость относительного перемещения частиц х' вдоль лопатки по оси X.

Положение оси вращения ротора относительно укороченного корпуса может изменяться вокруг точки первоначального контакта клубненосного пласта с ротором М0 по дуге Ор 02, 03 с радиусом, равным радиусу ротора. Критериями рационального положения ротора относительно корпуса являются:

1) совпадение направления скоростей V и У^;

2) разбрасывание пласта перпендикулярно направлению движения агрегата;

3) объём клубненосного пласта, поступающий с укороченного корпуса, должен попадать на лопатки ротора.

Угол схода частиц клубненосного пласта с ротора &а зависит от угловой скорости вращения ротора о, рад/с, и времени нахождения частиц пласта на лопатке ротора tp, а также от углов наклона а и установки ^лопаток ротора (рисунок 7).

Рисунок 6 — Схема к определению положения ротора относительно пассивного укороченного корпуса

Рисунок 7 - Расчетная схема к определению угла установки лопаток ротора

В работе при известной со значение величины ^ определяется составлением уравнения движения частицы клубненосного пласта относительно лопатки ротора (рисунок 8). При вращении ротора с угловой скоростью со на двигающуюся вдоль лопатки частицу клубненосного пласта действуют следующие силы:

центробежная сила, Н;

J = m(r0+x)eo2, (6)

где г0 - расстояние от оси ротора до лопатки, м;

х - путь, пройденный частицей по лопатке, м;

Ек - сила Кориолиса, Н:

Ек = 2т сох", (7)

^ - сила трения частицы о лопатку ротора от действия силы Кориолиса, Н:

/г =£;•/ = 2тбк'/%т а, (8)

где а — угол наклона лопатки ротора относительно плоскости ХОУ, град;

х'- относительная скорость перемещения частицы пласта по лопатке, м/с;

/- средний коэффициент трения почвы и клубней о лопатку; со - угловая скорость вращения ротора, рад1; т - масса частицы, кг;

Рс-сила трения частицы о лопатку ротора от силы тяжести, Н:

= С/соъа = т^/соБа (9)

I-сила инерции частиц клубненосного пласта, Н:

1 = тх", (10)

где х" - ускорение перемещения частицы по лопатке, м/с2.

Рисунок 8 - Силы, действующие на частицу клубненосного пласта при её движении по лопатке ротора вдоль оси X

Получим сумму проекций сил, действующих на частицу пласта: J-FK-F0-I = 0. (И)

Учитывая установку лопатки ротора под углами а и уг и подставляя значения сил в уравнение (И), получим дифференциальное уравнение движения частиц клубненосного пласта по поверхности лопатки:

х" cos у/ + 2 fax' ■ sin а - xa2 (cos у/-f sin =

= ro02(cosi//-f siny/)-gf-cosa. (12)

Исследования уравнения (12) в пакете MathCAD показали, что значения угла наклона а (рисунок 8) и угла установки у/ (рисунок 7) лопаток верхнего яруса ротора оказывают существенное влияние на агротехнические показатели технологического процесса выкапывания клубней картофеля.

Критерием рационального угла наклона лопаток а является условие отсутствия схода частиц клубненосного пласта через верхний обрез лопаток, т.е. когда клубни не перемещаются вверх по лопатке:

E;<G'. (13)

Подставляя значения сил Е' и G', получим

а > arctg ЛПХ , (14)

15-g

где х' - скорость перемещения частицы относительно лопатки, м/с.

Значение скорости jc' определяется по уравнению (12). Результаты решения уравнения (14) представлены на рисунке 9, которые показывают, что для соблюдения условия (13) угол наклона лопаток ротора должен быть а = 82°.. .90°.

Изучено влияние угла установки у/ лопаток ротора на угол схода 0 клубненосного пласта с ротора, который зависит от угловой скорости ротора и времени пробега tp. Время пробега определено согласно уравнению (12) при а = 90° и различных значениях угла у/. Полученные данные показали, что рациональное значение угла схода при кагором клубни равномерно распределяются по поверхности поля, обеспечивается при радиальном положении лопаток ротора.

а

85

т

350 Об/мин

зооо5/мин 250 об/мин

Рисунок 9 - Зависимость угла наклона лопаток а от коэффициента трения/ при различной частоте вращения ротора

Угол схода &сх при радиальном положении лопатки и угле наклона а = 90° составляет от 97° до 102°. Зная пределы изменения угла ва, графическим методом можно определить рациональное положение ротора относительно укороченного корпуса, которое составляет /,= 160.. .170 мм, /2= 190.. .200 мм.

Согласно агротехническим требованиям, предъявляемым к работе картофелекопателя, должно быть извлечено не менее 95 % картофеля, при этом клубни массой менее 20 г и диаметром менее 28 мм не учитываются. Поэтому на третьем этапе технологического процесса выкапывания клубней необходимо обосновать частоту вращения ротора и, обеспечивающую требуемую ширину распределения клубненосного пласта Ь (рисунок 1).

По данным ВИСХОМа известно, что клубни картофеля в среднем располагаются в гребнях, имеющих форму равнобокой трапеции общей площадью 0,04 м2. Для выполнения агротребований данную площадь необходимо распределить полосой толщиной 0,03 м и шириной 1,3 м. Поэтому максимальная дальность полета частиц пласта должна быть не менее 1,3 м. Дальность разбрасывания частиц клубненосного пласта! будет зависеть от высоты поступления пласта на лопатки ротора Ни частоты вращения ротора со.

Без учета сопротивления воздуха и при вертикальном положении лопаток

(15)

где / - время полета клубненосного пласта, с:

1 = 42 Н/8- (16)

V — скорость, с которой частицы клубненосного пласта отбрасываются лопатками ротора, м/с:

к^!Н2+(У)2' (17)

где - радиус ротора, м;

х'— относительная скорость перемещения частицы пласта по лопатке, м/с, определяется по формуле (12). Тогда получим

—. (18)

g

При известных L, Н, R необходимая частота вращения роторного рабочего органа определяется по выражению:

[L2-g-(x'f-2H]-450 7T2R2H

Тогда для обеспечения полного извлечения клубней при заданных L = 1,3 м, #= 0,1 ...0,25 м,R = 0,2 м частота вращения ротора п должна быть более 270 об/мин.

Общая мощность N^, необходимая для работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, зависит от мощности, затрачиваемой на преодоление тягового сопротивления пассивного корпуса, и мощности, затрачиваемой на работу роторного рабочего органа. Общая мощность N^ с учетом КПД промежуточных передач от ВОМ трактора до ротора определяется по формуле:

Noeui={/G + kab + £abVa%)-Va?p +

\

10"

к'сИгп + БЛО-4 pQnVo

окр

(20)

Пп

где цп - общий КПД всех промежуточных передач, г\п = 0,88; с - сечение почвенной стружки, м2; И - высота подкапываемого гребня, м; С - сила тяжести рабочего органа, кН; аЬ - площадь сечения подкапываемого гребня (аЪ = 0,04 м2);

z - число лопаток ротора, шт.; п - частота вращения ротора, об/мин; к - удельное сопротивление почвы, кН/м2; к' - удельное сопротивление крошению предварительно разрыхленной корпусом почвы, кН/м2 (к' = 0,4...0,6 к);

Qn - масса почвы, отбрасываемой за 1 сек, кг/сек; V - окружная скорость ротора, м/с;

р - коэффициент отбрасывания, зависящий от угла установки лопаток ротора (р= 1 - радиально, р = 0,85-0,99 - назад и вперёд).

Для определения суммарной эффективной мощности трактора, затрачиваемой на технологический процесс работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, в формулу 20 необходимо ввести значения тягового КПД трактора и КПД ВОМ.

В третьей главе «Методика исследований» изложена программа экспериментальных исследований, рассмотрен объект исследований, описана методика их проведения и обработки полученных данных, дано описание экспериментального рабочего органа (рисунок 10).

Для проверки адекватности теоретических исследований реальному процессу были проведены экспериментальные исследования на изготовленной экспериментальной установке (рисунок 11).

Методика лабораторных исследований заключалась в постановке эксперимента в области рациональных режимов работы плуга-картофелекопателя в соответствии с ОСТ 10 8.5-2000

Рисунок 10-Экспериментальный комбинированный рабочий орган плуга-картофелекопателя: 1 - корпус, 2 - ротор

Рисунок 11 - Общий вид экспериментальной установки «плуг-картофелекопатель»

и по разработанным частным методикам определения ширины полосы разбрасывания клубненосного пласта и измерения крутящего момента на валу ротора. Изучалось совместное влияние управляемых факторов: скорости движения агрегата Уа?р, угла наклона а лопаток ротора, частоты вращения ротора п, радиуса ротора Я — на агротехнические и энергетические показатели комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя.

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследований на выкапывании картофеля, полученные в различных условиях (ООО «Совхоз „Каштакский"», ГНУ ЮУНИИПОК) и с разными сортами картофеля (невский, арника). Почва представляла собой выщелоченный чернозем, тяжелосуглинистый, с влажностью в разных слоях от 7,9 до 20,3 % и твердостью от 0,8 до 2,5 МПа.

Полученные данные подтвердили достоверность теоретических положений. По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлены рациональные конструктивные параметры и режимы работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя: частота вращения ротора - 300...320 об/мин, скорость движения - 3,0.. .3,5 м/с, радиус ротора - 0,2.. .0,25 м, угол наклона лопаток а = 82°...90°, угол установки лопаток радиально. На рисунке 12 представлена зависимость ширины полосы разбрасывания Ь от частоты вращения ротора п.

ж -__ч :

т

ш

200 250 300 350 по5/ш

-----Гкреттеская лЛисимсст Ооитш даниж

Х&УЛ - рштмШ^Пн ^от

Рисунок 12 - Зависимость ширины полосы разбрасывания клубней картофеля от частоты вращения ротора (при V- 10 км/ч, Л = 0,2 м, а = 90°)

Определены энергетические показатели экспериментальной установки: зависимость тягового сопротивления Ях и общей мощ-

ности (рисунки 13, 14) от скорости движения агрегата; зависимость крутящего момент Мю, на валу ротора и мощности, затрачиваемой на технологический процесс выкапывания картофеля (рисунки 15, 16), от скорости движения агрегата и частоты вращения ротора при различных его радиусах.

ш-

т-

ж■

■ ''-88 ш*. : ш / / /

У- Л

»

Н№\

г

_„_ й

9 V П

_ Зючячетит хшжсхь

Рисунок 13 - Зависимость тягового сопротивления экспериментального рабочего органа Ях от скорости движения агрегата V

НкВт

Рисунок 14-Зависимость общей мощности, затрачиваемой на привод ротора и тяговое сопротивление, от скорости движения агрегата У^

«АЙЯ/уЛг

3-

Ю И ОпЛ

М25

М2

М*.

ш

Ш&ой/т

Рисунок 15 - Зависимость изменения Рисунок 16 - Зависимость изменения

крутящего момента (-

) на валу •) на его

крутящего момента (-

ротора и мощности (вращение от скорости движения агрегата У при различных значениях радиуса ротора Л (уравнение регрессии N = АУ+ В)

) навалу ) на его

ротора и мощности (вращение от частоты вращения ротора л при различных значениях

его радиуса Л (уравнение регрессии N =Ап+ В)

По обоснованным параметрам разработана чертежно-техническая документация и передана в ООО ИПП «ТехАртКом» для изготовления и выпуска опытной партии.

В пятой главе «Рекомендации производству и технико-экономические показатели внедрения» представлены расчеты экономической эффективности применения в сельском хозяйстве экспериментального плуга-картофелекопателя в сравнении с серийно выпускаемым и подходящим по эксплуатационным показателям картофелекопателем КТН-2Б.

Предлагаемый способ выкапывания картофеля позволяет снизить приведенные затраты на 1 га убираемой площади на 40%, а также получить дополнительную экономическую прибыль от изменения количества и качества получаемой продукции в размере 12 ООО руб./га (в ценах 2010 г.). Годовой экономический эффект на 1 гектар убранной площади составит 34 800 рублей.

Использование лемешно-роторного плуга-картофелекопателя эффективно для возделывания картофеля как в фермерских и крестьянских хозяйствах площадью до 10-15 га, так и в хозяйствах, имеющих небольшие площади под данную культуру. Кроме того при смене роторов предлагаемый плуг-картофелекопатель выполняет операции вспашки почвы для возделывания картофеля и удаления картофельной ботвы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована технологическая и конструктивная схемы работы комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя и составлены расчетные схемы процесса его взаимодействия с клубненосным пластом почвы. Установлена рациональная скорость движения картофелекопателя 3,0...3,5 м/с (10,8...12,6 км/ч), при которой в процессе работы пассивный корпус с укороченным отвалом подрезает и поднимает клубненосный пласт, крошит его и подаёт на ротор в направлении вращения ротора со скоростью до 1,78 м/с, что снижает ударное воздействие лопаток ротора на клубненосный пласт почвы и уменьшает травми-

рование картофеля. Обоснованы рациональные значения частоты вращения ротора и = 300...320 об/мин, при которых обеспечивается ширина полосы разбрасывания клубней картофеля до 1,3 м, что позволяет извлекать на дневную поверхность не менее 95 % товарного картофеля.

2. Установлены зависимости влияния конструктивных параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа на траекторию перемещения, на вынос клубней на дневную поверхность и их травмирование, что позволило обосновать рациональные параметры ротора и его положение относительно корпуса с укороченным отвалом, а именно: радиус ротора Я = 0,2...0,25 м, количество лопаток верхнего яруса ротора г = 4 шт., угол наклона лопаток верхнего яруса а = 82...90°, угол установки лопаток в горизонтальной плоскости радиально. Расположение оси вращения ротора относительно корпуса с укороченным отвалом в направлении движения 12 = 190...200 мм, в поперечном направлении /, = 160... 170 мм. Установлена мощность, необходимая для работы одного комбинированного рабочего органа на скорости 3,1 м/с (11,2 км/ч) Ы^ = 22,71 кВт, в том числе на привод ротора 3,65 кВт, на преодоление тягового сопротивления картофелекопателя 19,06 кВт.

3. Изготовлен опытный образец плуга-картофелекопателя с обоснованными параметрами и проведены сравнительные испытания с картофелекопателем КТН-2Б. Установлено, что разработанный картофелекопатель обеспечивает качественную работу в широком диапазоне влажности почвы, травмирование картофеля находится в пределах 1...2%, а у КТН-2Б доходит до 7%. Процент выкапывания клубней 96...98%, у КТН-2Б 97...99%. Производительность плуга-картофелекопателя 0,67 га/ч, у КТН-2Б 0,63 га/ч.

4. Разработана чертежно-техническая документация и передана на производство, дана оценка экономической эффективности внедрения плуга-картофелекопателя в хозяйствах. Экономический эффект внедрения плуга-картофелекопателя из-за снижения потерь и травмирования клубней картофеля составляет 12 000 рублей (в ценах 2010 г.). Годовой экономический эффект на 1 гектар убранной площади составит 34 800 рублей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Граков, Ф. Н. Универсальное орудие для возделывания картофеля / Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников, М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Граков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2004. -№ 9. - С. 19-20.

2. Граков, Ф. Н. Теоретическое обоснование конструктивных параметров активного рабочего органа плуга-картофелекопателя / Ф. Н. Граков //Вестник Ульяновской ГСХА.-2012.-№ 1(17).-С. 111-114.

Публикации в других изданиях

3. Граков, Ф. Н. Результаты экспериментов при испытаниях лемешно-роторного картофелекопателя / М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Граков // Материалы ХЫП научно-технической конференции : сб. науч. тр. - Челябинск : ЧГАУ, 2004. -Ч. 2. - С. 83-85.

4. Граков, Ф. Н. Универсальная машина для возделывания картофеля / Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников, М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Граков // Вестник ЧГАУ. - Челябинск, 2004. - Т. 41. - С. 144-147.

5. Граков, Ф. Н. Сравнительное определение износостойкости лемехов / А. Ф. Кокорин [и др.] // Материалы Международной научно-практической конференции : сб. науч. тр. - Алматы, 2008. - Ч. 2. -С. 93-99.

6. Граков, Н. Ф. Обоснование режима работы швыряльного ротора плуга-картофелекопателя при возделывании картофеля по гребневой технологии / Н. Ф. Граков, Ф. Н. Граков // Материалы ХЬУП Международной научно-технической конференции : сб. науч. тр. - Челябинск, 2008.-Ч.З.-С. 123-126.

7. Граков, Ф. Н. Экономическая эффективность применения плуга-картофелекопателя в сельском хозяйстве / Ф. Н. Граков // Вестник ЧГАА. - Челябинск, 2010. - Т. 55. - С. 44-46.

8. Граков, Ф. Н. Влияние установки лопаток ротора плуга-картофелекопателя на сепарацию и травмирование картофеля / Ф. Н. Граков // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых. - Казань, 2011. - С. 411.

9. Пат. 2409926 РФ, МПК А 01 Э 13/00. Способ уборки картофеля и устройство для его осуществления / В. В. Бледных, Ф. Н. Граков, М. М. Мухаматнуров, Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников ; заявитель и патентообладатель ЧГАА. - № 2009107472 ; заявл. 02.03.2009 ; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3. - С. 7 : ил.

Подписано в печать 13.02.2012 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 27

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

61 12-5/1983

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

ГРАКОВ Фёдор Николаевич

/г/

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ПЛУГА-КАРТОФЕЛЕКОПАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: засл. работник высшей школы РФ доктор технических наук, профессор P.C. Рахимов

Челябинск - 2012

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение.......................................................................................5

1. Состояние вопроса и задачи исследования....................................11

1.1 Физико-механические свойства почвы как фактор, определяющий работоспособность картофелеуборочных машин............................ 11

1.2 Агротехнические требования, предъявляемые к картофелеуборочным машинам..................................................21

1.3 Характеристика культуры картофеля.......................................... 22

1.4 Повреждаемость клубней и разрушаемость

почвенных комков при ударе.....................................................26

1.5 Подготовка почвы под посадку картофеля....................................29

1.6 Технологические приемы уборки картофеля и классификация картофелеуборочных машин......................................................30

1.7 Рабочие органы ротационного типа для выкапывания картофеля........36

1.8 Цель и задачи исследования......................................................40

2. Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного рабочего органа лемешно-роторного картофелекопателя..................41

2.1 Предлагаемая технология возделывания и уборки картофеля. Технологический процесс работы комбинированного рабочего

органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя..................... 41

2.2 Движение клубненосного пласта по лемешно-отвальной поверхности укороченного корпуса............................................ 45

2.3 Выбор количества лопаток верхнего яруса ротора.......................... 50

2.4 Обоснование конструктивных параметров ротора и его положения относительно укороченного корпуса........................................... 53

2.4.1 Дифференциальное уравнение движения частиц клубненосного пласта по поверхности лопаток ротора..................................................... 56

2.4.2 Обоснование угла наклона лопаток ротора.....................................59

2.4.3 Обоснование угла установки лопаток ротора................................. 62

2.4.4 Обоснование расположения ротора относительно укороченного корпуса............................................................................... 64

2.4.5 Обоснование дальности отбрасывания частиц клубненосного пласта лопатками ротора...................................................................66

2.5 Энергетические показатели плуга-картофелекопателя......................71

2.6 Выводы по главе.....................................................................76

3. Методика исследований............................................................77

3.1. Методика получения и подготовки входных данных........................77

3.1.1 Характеристика и физико-механические свойства почвы..................78

3.1.2 Характеристика и физико-механические свойства культуры...............81

3.1.3 Режим и показатели качества выполнения

технологического процесса........................................................83

3.2 Методика проведения полевых опытов.........................................85

3.2.1 Энергетические показатели экспериментального плуга-картофелекопателя..........................................................86

3.2.2 Методика определения рациональных конструктивных параметров и режима работы экспериментального

активного рабочего органа.........................................................95

3.3 Методика определения погрешности измерений.............................97

4. Результаты экспериментальных исследований................................102

4.1 Условия проведения экспериментов.............................................102

4.2. Обоснование конструктивных и кинематических параметров комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя............105

4.2.1. Обоснование параметров комбинированного рабочего органа

по показателям сепарирующей способности...................................105

4.2.1.1. Влияние скорости движения агрегата на потери картофеля............. 105

4.2.1.2. Влияние частоты вращения ротора на потери картофеля................ 108

4.2.2. Определение травмирования клубней картофеля............................ 109

4.2.2.1. Влияние частоты вращения ротора на травмирование....................110

-44.2.2.2. Влияние скорости движения агрегата на травмирование.................111

4.2.2.3. Влияние угла наклона лопаток ротора на травмирование................113

4.2.2.4. Влияние радиуса ротора на травмирование клубней картофеля........ 114

4.2.3. Определение полосы разбрасывания клубней картофеля.................. 115

4.2.3.1 Влияние скорости движения агрегата на ширину полосы разбрасывания клубней....................................................................116

4.2.3.2 Влияние частоты вращения ротора на ширину полосы разбрасывания клубней....................................................................117

4.2.3.3 Влияние высоты подачи клубней на ротор и его радиуса

на ширину полосы разбрасывания клубней картофеля.............................119

4.3. Энергетические показатели комбинированного рабочего органа.........121

4.3.1 Тяговое сопротивление комбинированного рабочего органа...............122

4.3.2 Крутящий момент на валу ротора комбинированного

рабочего органа......................................................................124

4.3.3 Затраты мощности на процесс выкапывания клубней картофеля.........127

4.4 Выводы по главе.....................................................................134

5. Рекомендации производству и технико-экономические

показатели внедрения.............................................................. 135

5.1. Рекомендации производству......................................................135

5.2 Технико-экономическая эффективность применения

экспериментального рабочего органа для выкапывания картофеля......136

Общие выводы.............................................................................. 143

Список литературы.........................................................................145

Приложения................................................................................. 159

-5-ВВЕДЕНИЕ

Картофель является одной из важнейших продовольственных и технических культур. По размерам площадей и величине валового сбора Россия занимает одно из ведущих мест в мире. В то же время себестоимость производства картофеля в России существенно выше по сравнению с такими странами как США, Канада и страны Западной Европы [54, 55].

Причиной этому, наряду с почвенно-климатическими условиями, является низкая урожайность и недостаточный уровень механизации, затраты труда на уборку составляют до 50 процентов общих затрат труда на возделывание картофеля [56].

При решении проблемы механизации уборки картофеля конструкторы и ученые столкнулись с рядом технических трудностей, из-за которых, как в нашей стране, так и за рубежом, машины, удовлетворяющие агротехническим требованиям, созданы сравнительно недавно. Однако и эти конструкции нельзя считать вполне совершенными, так как они работоспособны в узком диапазоне физико-механических свойств почвы [49].

Специфические трудности механизации уборки картофеля связаны главным образом с тем, что клубни находятся в почве. Анализ агротехнических и физико-механических характеристик картофеля в разных зонах возделывания и в различные сроки уборки показывает, что картофель наиболее полно может быть убран механизированным способом только при подкапывании почвенного пласта с клубнями и последующего отделения их от почвы ударным воздействием [116, 92].

Актуальность исследований. В настоящее время более 80% товарного картофеля производится в хозяйствах населения, фермерских и крестьянских хозяйствах, имеющих небольшие посевные площади [110]. Уровень механизации в них находится на низком уровне. Для таких хозяйств нужна недорогая универсальная малогабаритная техника, которая могла бы, соблюдая все агротехнические требования к возделыванию картофеля и имея

минимум переналадок, выполнять основные технологические операции: вспашку, удаление ботвы и выкапывание клубней картофеля. Как известно, наиболее энергоёмкими операциями при возделывании картофеля являются подготовка почвы к посадке и выкапывание клубней. Известные в настоящее время машины, применяемые в технологической цепочке возделывания картофеля, в том числе и малогабаритные, обладают целым рядом недостатков (узкая специализация, большие потери и травмирование клубней, высокая стоимость и др.) [36, 37]. В связи с этим тема исследования, направленная на создание более эффективной, универсальной и экономичной машины на базе лемешно-роторного плуга, установкой сменного рабочего органа для выкапывания картофеля является актуальной и имеет

народнохозяйственное значение.

Лемешно-роторный плуг предназначен для основной обработки почвы под овощные и технические культуры. Он состоит из корпуса с укороченным отвалом и ротора с вертикальной осью вращения, который за один проход обеспечивает заданную степень крошения для почв различного механического состава, выравнивает поверхность поля, выбрасывает на дневную поверхность корневые остатки сорняков. При опробовании данного плуга для выкапывания картофеля оказалось, что клубни не имели повреждений от взаимодействия с ротором и располагались полосой на вспаханном участке, но значительная часть клубней была присыпана почвой.

Это позволило поставить рабочую гипотезу о возможности использования лемешно-роторного плуга для выкапывания картофеля, при конструктивном изменении комбинированного рабочего органа. В связи с этим поставлена цель работы: Обоснование технологической и конструктивной схем, параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя для улучшения агротехнических и снижения энергетических показателей его работы.

Для достижения поставленной цели перед данной диссертацией поставлены следующие задачи исследования:

-71) обосновать технологический процесс работы и конструктивную схему

комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-

картофелекопателя, составить расчетные схемы и исследовать процесс

взаимодействия комбинированного рабочего органа с клубненосным пластом

почвы, установить технологические параметры комбинированного рабочего

органа плуга-картофелекопателя;

2) установить влияние конструктивных параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя на его агротехнические и энергетические показатели работы и обосновать рациональные параметры комбинированного рабочего органа;

3) изготовить опытный образец плуга-картофелекопателя, провести его испытания и сравнить полученные результаты с показателями серийного картофелекопателя;

4) разработать чертёжно-техническую документацию комбинированного рабочего органа и дать экономическую оценку эффективности применения лемешно-роторного плуга-картофелекопателя.

Для выполнения этих задач предполагается использовать методы статики, кинематики и динамики систем с применением компьютерной вычислительной техники и полевые опыты с экспериментальными рабочими органами.

Поставленные задачи предполагается реализовать следующими основными этапами:

-проведение анализа патентных материалов и НИР по данной проблеме; -разработка расчетной схемы и составление модели взаимодействия комбинированного рабочего органа с почвой, обоснование конструктивных параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа и взаиморасположение корпуса плуга и ротора;

-изготовление по установленным параметрам опытных образцов активного рабочего органа;

-проведение экспериментальных исследований опытных образцов рабочих органов в полевых условиях с определением агротехнических и энергетических показателей их работы и выбор рабочего органа с рациональными параметрами;

-разработка чертёжно-технической документации для производства и оценка экономической эффективности внедрения плуга-картофелекопателя.

Объект исследования. Технологический процесс выкапывания клубней картофеля комбинированным рабочим органом лемешно-роторного плуга-картофелекопателя.

Предмет исследования. Зависимости между конструктивными параметрами, режимом работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, агротехническими и энергетическими показателями его работы при выкапывании клубней картофеля.

Методологическая и теоретическая основа исследований. Теоретические исследования базировались на методах аналитического и графического моделирования взаимодействия клубненосного пласта с пассивным корпусом, имеющим укороченный отвал, и с лопатками ротора.

При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением современного оборудования.

В основу данной работы легли труды В.П. Горячкина, В.В. Бледных, М.Е. Мацепуро, Б.Л. Охотникова, А.П. Дорохова, М.Д. Подскребко, P.C. Рахимова, С.Н. Капова, П.Г. Свечникова, О.В. Гордеева, В.И. Митрофанова, Г.Д. Петрова, К.С. Вернера, В.И. Табачук, Г.П. Солодухина, В.И. Вилимас, А.И. Иванова, А.Ж. Мурзагалиева, Н.Р. Саврасовой и др. внесших значительный вклад в науку о взаимодействии рабочих органов с почвой и механизации возделывания картофеля.

Научная новизна выносимых на защиту вопросов состоит в следующем:

1. Впервые обоснована конструктивная схема и режимы работы комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя. Новизна способа выкапывания клубней и технического

решения на выполнение технологического процесса защищена патентом РФ на изобретение № 2409926.

2. Разработана технологическая схема и получены аналитические модели процесса выкапывания картофеля, определены рациональные конструктивные параметры и режимы работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя, обеспечивающие выполнение агротребований.

3. Получены зависимости для определения энергозатрат на выполнение технологического процесса выкапывания картофеля комбинированным рабочим органом плуга-картофелекопателя.

Практическая значимость исследования и реализация результатов:

1. Результаты исследований использованы проектно-конструкторским отделом ООО ИПП «ТехАртКом» при разработке и производстве универсального плуга-картофелекопателя.

2. Результаты исследования внедрены в технологический процесс возделывания картофеля ООО «Совхоз „Каштакский"» и ГНУ ЮУНИИПОК.

3. В 2004 году работа была поддержана грантом по программе развития НИР студентов, аспирантов и молодых ученых в высших учебных заведениях Челябинской области, осуществляемой Министерством образования и науки РФ и правительством Челябинской области.

4. Результаты исследований используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии при изучении курса «Почвообрабатывающие и посевные машины».

На защиту выносятся следующие научные положения:

• расчетные схемы и аналитические зависимости взаимодействия комбинированного рабочего органа с клубненосным пластом почвы при различных его конструктивных параметрах;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению агротехнических и энергетических показателей работы плуга-картофелекопателя при различных параметрах комбинированного рабочего органа;

• рациональные конструктивные параметры и режимы работы комбинированного рабочего органа, обеспечивающие соблюдение агротехнических и снижение энергетических показателей работы плуга-картофелекопателя при выкапывании клубней картофеля. Апробация. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии в 2004-2011 гг., Казахского национального аграрного университета г. Алматы в 2008 г., ТатНИИСХ г. Казань в 2011 г.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в восьми научных статьях, две из которых в изданиях включенных в перечень ВАК, по результатам исследования получен патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит введение, пять глав, выводы и рекомендации. Список использованной литературы состоит из 136 наименований; работа содержит 54 рисунка, 24 таблицы и 16 приложений.

-11 -

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Физико-механические свойства почвы как фактор, определяющий работоспособность картофелеуборочных машин

Многолетний опыт исследований, испытаний и эксплуатации картофелеуборочных машин показывает, что качество их работы и производительность в большой степени зависят от почвенно-климатических условий, в которых их эксплуатируют. Почвы различных сельскохозяйственных зон России чрезвычайно многообразны. Даже в пределах одной зоны, области и района могут быть почвы, резко различающиеся по типу и свойствам. Непостоянство свойств почвы приводит к резким колебаниям качественных и технико-экономических показателей, характеризующих работу картофелеуборочных маши�