автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка ботвоудаляющего рабочего органа картофелеуборочных машин

БОРЫЧЕВ Сергей Николаевич

На правах рукописи

;.:.>; о

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНЫХ МАШИН

Специальности: 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства 05.20.04 - сельскохозяйственные и мелиоративные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени проф. П.А. Костычева

Научные руководители:

доктор технических наук, доцент И.А. Успенский;

доктор технических наук, доцент Н.В. Бышов

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Н.Н. Колчин; доктор технических наук, профессор Н.И. Верещагин

Ведущее предприятие:

Всероссийский институт механизации сельского хозяйства - В ИМ

Защита состоится

2000

г. в

часов

на заседании диссертационного совета Д 169.06.01 в Научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения имени В .П. Горячкина - ОАО ВИСХОМ по адресу:

127247, г. Москва, Дмитровское шоссе, 107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ВИСХОМ

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

ПоУЛ. О

Сорокин А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель в России является одной из основных продовольственных культур. По данным на 1998г. площадь его возделывания составила 3,27 млн. га, что обеспечивает нашей стране лидирующее место в мире по уровню валового сбора -31,2 млн. т. или около 15 % от мирового производства. В то же время средняя урожайность картофеля в период с 1995 г. по 1998 г. не превышала 11,7 ц/га. Это значительно меньше, чем в развитых странах Западной Европы и США. Поэтому имеется острая необходимость повышения эффективности сельскохозяйственного производства, чего нельзя добиться только путем увеличения урожайности культуры. Требуется также применение широкой механизации технологии возделывания и уборки картофеля. Отметим, что 45...70 % трудозатрат приходится именно на уборку. Их снижение возможно за счет применения новых технологий и сельскохозяйственной техники, отвечающей всем агротехническим требованиям, предъявляемым к уборочным машинам.

Между тем, практика работы картофелеуборочных машин, как отечественных, так и зарубежных показывает, что они в должной мере не удовлетворяют этим требованиям. Даже при оптимальных условиях работы в бункере комбайна имеются растительные примеси и наблюдаются высокие потери клубней на поле и их повреждения, что связано с рядом конструктивных недостатков, в том числе, с несовершенством ботвоудаляющих рабочих органов картофелеуборочных машин.

В настоящее время вопрос отделения ботвы и растительных примесей от клубней изучен недостаточно, хотя и является одним из основных при механизированной уборке картофеля. Что подтверждает целесообразность продолжения изысканий и исследований данного вопроса. Поэтому создание, совершенствование и обоснование параметров ботвоудаляющих рабочих органов картофелеуборочных машинах, является актуальной народнохозяйственной задачей.

Цель исследования. Создание ботвоудаляющего рабочего органа, обеспечивающего высокую полноту удаления растительных примесей, низкий уровень повреждений и потерь клубней картофеля и обладающего высокой технологической надежностью.

Объекты исследований. Физико-механические свойства картофельного вороха в ходе выполнения технологического процесса картофелеуборочными машинами, процесс и рабочие органы для отделения клубней от стеблей ботвы и сорняков при механизированной уборке картофеля.

Методика исследования. Основные физико-механические свойства картофеля и характер их изменения в процессе выполнения технологического процесса картофелеуборочными машинами определены, как по известным, так и разработанным нами методикам. Теоретический анализ процесса

ботвоудаления проведен на основе механико-математического моделирования этого процесса в картофелеуборочной машине. Лабораторные исследования процесса удаления растительных примесей выполнены с применением теории планирования эксперимента по плану ПФЭ. Обработка результатов исследований проведена методами математической статистики с использованием ЭВМ. Оценка агротехнических показателей работы ботвоуда-лителя и картофелеуборочной машины при полевых и хозяйственных испытаниях проводилась по нормативной документации МИС.

Научную новизну работы составляют:

Математические модели, описывающие

- количество потерь клубней и полноту удаления растительных примесей при работе ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа;

- условия допустимого уровня повреждений клубней при контакте с ботвоподводящими пальцами устройства для удаления растительных примесей в процессе его работы.

Методика определения модуля упругости и обоснования параметров выступов отрывного валика.

Методика оценки ориентации стеблей ботвы на сепарирующих рабочих органах картофелеуборочных машин, определяющей работу ботвоудаляю-щих устройств.

Практическую ценность диссертации составляют: новые конструкции ботвоудалителей (свидетельства на полезную модель № 13578 и № 14753) картофелеуборочных машин, инженерные методы расчета параметров устройств для отделения клубней от растительных примесей, рациональные параметры ботвоудаляющего рабочего органа пальчато-гребенчатого типа.

Реализация результатов исследования. На основании проведенных исследований изготовлены опытные образцы ботвоудалителей, которыми оборудованы картофелеуборочные машины, успешно прошедшие хозяйственные испытания на полях Тульской и Рязанской областей.

Материалы исследований переданы в АООТ «Фирма Комбайн» г. Рязань и ОАО «ВИСХОМ» г. Москва, где они используются при разработке новых ботвоудаляющих рабочих органов картофелеуборочных машин.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на:

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов РГСХА им. проф. П.А. Костычева (1997 - 2000 гг.), Рязанского ВАИ (1999 г.), Самарской ГСХА (2000 г.);

- секции НТС ОАО «ВИСХОМ» (2000 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе два свидетельства на полезную модель. Общий объем публикаций 1,9 п.л., лично автора 1,37 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 189 стр., из которых на 52 страницах размещено 82 рисунка, на 9 - 12 таблиц, на 12 - список использованной литературы, состоящий из 133 наименований (из них 10 на иностранных языках) и на 30 страницах - 8 приложений. В приложении представлены документы о внедрении, копии свидетельств на полезную модель, результаты хозяйственных и лабораторных испытаний.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе, «Состояние вопроса и задачи исследования», систематизированы современные проблемы механизированной уборки картофеля, в том числе, связанные с несовершенством рабочих органов для отделения клубней от растительных примесей и проведен анализ трех основных способов ботвоудаления, применяемых в картофелеуборочных машинах.

1 способ. Ботвоудаление на основе различия коэффициентов трения компонентов картофельного вороха.

Устройствами, работающими на основе данного способа, в основном являются горки различной конструкции. Как показывают многочисленные теоретические исследования, изложенные в работах Василенко П.М., Гладкова Н.Г., Колчина H.H., Кривошеева В.Ю., Кроптова А.П., Сакалаускаса A.A., Сорокина A.A. и других, а также опыт эксплуатации картофелеуборочных машин ККР-2, «Пакман», Е-680, Е-686 и многих других, горки качественно разделяют картофельный ворох на составные компоненты только в случае, если его подача осуществляется равномерно и клубни не соединены со стеблями ботвы. Даже при наличии специальных механических устройств - отбойного валика или качающейся гребенки наблюдается значительное засорение тары с клубнями растительными примесями.

2 способ. Ботвоудаление на основе различия коэффициентов парусности компонентов картофельного вороха.

Способ удаления растительных примесей в картофелеуборочных машинах по различию коэффициентов парусности широкого применения не нашел, хотя и отличается низкими повреждениями клубней. Связано это с рядом причин: большими энергозатратами на привод вентилятора и нечетким разделением картофельного вороха на составные компоненты, что приводит к увеличению потерь клубней и засорению тары с клубнями растительными примесями.

Подобные устройства устанавливались в основном наряде экспериментальных машинах и комбайнах Гофгер-Шрантц, Шотболт, Фармахенд, К-4 и некоторых других, выпущенных малыми сериями.

Исследования способа разделения картофельного вороха на основе различия коэффициентов парусности изложены в работах Автухова И.В., Кол-чина Н.Н., Сероватова В.А. и других. Там же отмечаются вышеупомянутые недостатки и предлагаются технические решения для их устранения, которые, как показал опыт эксплуатации картофелеуборочных машин, не в полной мере решают поставленные перед ними задачи. Поэтому мы полагаем, что подобные пневматические устройства нецелесообразно применять в картофелеуборочных машинах, за исключением лишь специальных машин, работающих с семенным материалом.

3 способ. Ботвоудаление на основе различия размерных характеристик компонентов картофельного вороха.

Данный способ разделения картофельного вороха на составные компоненты является наиболее эффективным и основан на различии размерных характеристик клубней, стеблей ботвы или сорняков.

Исследования способа ботвоудаления по размерным характеристикам изложены в работах Бышова Н.В., Глухих Е.А., Дорошева В.Н., Кусова Т.Т., Петрова Г.Д. и других. Но по сравнению с остальными известными способами разделения картофельного вороха (по коэффициенту трения и по парусности), этот способ изучен менее полно.

Анализ конструкций ботвоудалителей показал, что можно выделить два устройства являющихся наиболее перспективными на сегодняшний день. Первая - редкопрутковый транспортер с лопастным битером и очесывающими прутками (комбайны КП-2, КВ-2), вторая конструкция - это ботво-удалитель пальчато-гребенчатого типа, состоящий из ботвоподводящих пальцев и отрывного валика, работающего совместно с элеватором. Подобные устройства применяются в основном на зарубежных картофелеуборочных машинах: Е-680, 011-1700, ЮКО Макси Супер,С2-1700, АМАС-Д-2,'¿-643, четырехрядном комбайне «Гигант» и других, а также на подавляющем числе копателей-погрузчиков - до 85%. По сравнению с первым ботвоуда-лителем,второй менее материале- и энергоемок и отличается низким повреждающим воздействием на клубни. Однако следует отметить, что серийный ботвоудалитель пальчато-гребенчатого типа обладает невысокой полнотой удаления растительных примесей (около 70 %) и поэтому необходимо устранение данного недостатка.

На основании проведенного анализа и поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследования:

- обобщить результаты научных исследований способов и устройств для удаления растительных примесей в картофелеуборочных машинах, выявить перспективное направление исследования по данному вопросу;

- определить характер изменения некоторых физико-механических свойств, определяющих работу ботвоудалителей картофелеуборочных машин;

- разработать конструкцию ботвоудаляющего устройства, обеспечивающую высокую полноту удаления растительных примесей, низкий уровень повреждений и потерь клубней и обладающую высокой технологической надежностью;'

- обосновать с помощью теоретических и экспериментальных исследований рациональные параметры разработанного ботвоудаляющего рабочего органа;

- провести хозяйственные испытания экспериментальной картофелеуборочной машины с новым ботвоудалителем и определить экономическую эффективность его применения.

Во второй главе, «Физико-механические свойства картофеля, определяющие работу ботвоудалителей картофелеуборочных машин», рассмотрены результаты исследований физико-механических свойств проведенных Верещагиным Н.И., Глухих Е.А., Дрошевым В.Н., Митрофановым B.C. и другими и дополненных нами. Так как наблюдается варьирование этих свойств в зависимости от почвенно-климатических условий произрастания, технологии возделывания, сорта картофеля и других факторов.

Кроме общеизвестных физико-механических свойств, нами был определен характер изменения некоторых из них по мере прохождения ворохом технологических цепочек картофелеуборочных машин, поскольку это в значительной степени определяет работу ботвоудаляющих устройств.

В ходе проведения полевых исследований мы установили, во-первых, что в момент поступления вороха в ботвоудаляющий рабочий орган картофелеуборочной машины на столонах удерживается 21.. .24 % клубней, которые при несовершенстве устройства для удаления растительных примесей могут оказаться в потерях.

Во-вторых, что около 45 % стеблей, поступающих в ботвоудалитель, ориентированы вдоль элеватора (рис. I). В таком положении возможно их попадание в зазор между ботвоподводящими пальцами устройства, что приводит к снижению полноты удаления растительных примесей. Одним из решений, позволяющее значительно уменьшить данный недостаток, предлагаемое нами, является установка второго ряда ботвоподводящих пальцев сразу за первым рядом, по ходу технологического процесса.

В третьей главе, «Теоретические исследования ботвоудаляющего рабочего органа картофелеуборочных машин», на основе анализа рабочего процесса отделения клубней от стеблей ботвы и сорняков, разработана новая конструкция пальчато-гребенчатого ботвоудалителя (рис.2) и методика определения основйых ее параметров, а так же представлены найденные значения рациональных параметров устройства.

Рис. 1. Схема технологического процесса копателя-погрузчика с диаграммами расположения ботвы: [ у.;Х] поперечные сектора; [ [продольные сектора;

клубни; ^ )( )( ботва; комки почвы;

I, II и III - диаграммы расположения стеблей ботвы;

А,В - соответственно, ботва, выделенная на горке и пальчато-грсбеичатом ботво-удалителе.

1 - рама; 2 - лемех; 3 - ходовая часть; 4—первый элеватор; 5 - комкодавители; 6 - второй элеватор; 7 - пальчато-гребенчатый ботвоудалитель; 8 - горка; 9 - выгрузной транспортер.

вид -1- вид сбоку сзади

га

& 1 А,, А , (¡\ ЖЖ^

Рис. 2. Ботвоудаляющее устройство пальчато-гребенчатого типа: 1 -элеватор; 2 -ботвоподводящие пальцы; 3 -отрывной валик; 4 -выступы; 5 -пружинные предохранители; 6 -щиток; 7 - пазы; 8 -резиновые пластины. А/Ч комки почвы; -СИ» клубни; X X* стебли ботвы и сорняков.

По результатам проведенного анализа процесса удаления растительных примесей в картофелеуборочной машине, известный ботвоудалитель пальчато-гребенчатого типа был снабжен вторым рядом ботвоподводящих пальцев, расположенным по ходу технологического процесса за первым рядом и смещенным относительно него на половину расстояния между пальцами. С целью повышения захватывающей способности отрывного валика (полноты удаления растительных примесей) на нем были размещены выступы, имею-

щие форму усеченного конуса. Расположены выступы продольными и поперечными рядами по всей его рабочей поверхности, на равном расстоянии друг от друга.

Диаметр нового отрывного валика по основанию выступов меньше, чем диаметр серийного гладкого отрывного валика. Это снижает вероятность защемления клубней и, следовательно, количество и степень их повреждений. Для предотвращения зависания растительных примесей на втором ряде ботвоподводящих пальцев, те своими резиновыми пластинами (рис. 2) периодически контактируют с выступами, получая колебания.

Выбор параметров выступов валика производился исходя из условия не сползания с них стеблей в процессе ботвоудаления (рис. 3).

С этой целью были определены углы поворота сечений резинового выступа относительно вертикальной оси, при его деформации в процессе работы. Принималось, что деформация выступа подчиняется принципу независимости действия сил и закону Гука. Используя первое допущение, имеем:

t д Я0« 'nPHZ>dcin;

S " "[tgO^tge/ ,npHZ<4m , (1)

0) сум - „ I r» II

л - Угол поворота сечения выступа под действием сил Rem и Rem , рад; dcm - диаметр стебля ботвы, м; 0, \0„ - соответственно, угол поворота сечения выступа под действием силы Rem1 и Ren,11, рад; 0/ -угол поворота сечения выступа под действием силы R^11 при z = dcm, рад.

Используя второе допущение, получаем дифференциальное уравнение изогнутой оси выступа (рис. 3):

= + (2)

где Е - модуль упругости резиновых выступов, Па; Ic(z) - осевые моменты инерции сечений выступа, м4; Mi(z) и M2(z) - изгибающие моменты в сеченях выступа, контактирующих со стеблями, Нм. Для наиболее опасного сечения, с точки зрения сползания стебля, вершины выступа из выражения (1), при Z < dcm, после интегрирования и преобразования выражения (2) получаем:

2-г_______1_______1 ,+2.Г 1 . 2-г | 2-tgy-dcn

Е-к ф [_3■{г+1а>-1? {г+Ш-г)г 3-(г+^Ч»)2 ' ' и 3-й3

По результатам исследований максимальное значение угла поворота

вершины выступа равно 7,2°.

Стебель неподвижен (рис. 3), если:

Рис. 3. Схема взаимодействия выступа с двумя стеблями

Исш (е0+т)< Г шр = 1*А-/= ^ш1 •/ -СОБ (9о+7),

(4)

где РАтр - сила трения покоя между верхним стеблем и резиновым

выступом, Н; 90 - угол поворота сечения вершины выступа (0О =в7ы<а).

Ид - нормальная реакция поверхности выступа на действие стебля, Н;

/ - коэффициент трения покоя стебля о резину.

Как показали проведенные расчеты, для выбранных размеров резинового выступа высотой Н=24 мм, радиусом основания 11=15 мм и радиусом вершины г= 6 мм, условие (4) выполняется.

Величина рабочего зазора Ь (рис. 2) выбиралась исходя из обеспечения максимальной производительности устройства и невозможности попадания клубней вместе с отделенной ботвой в потери:

с>к>-

IV

'' т

• + -К

(5)

У р'' в

где с - средняя толщина клубней, м; - максимальная секундная производительность ботвоудалителя, кг/с; У р - объемный вес растительных примесей, кг/м3; К - скорость отрывного валика, м/с; В, - ширина отрывного валика, м; площадь сечения выступа по его оси симметрии, м2; К- удельное количество выступов в одном ряде отрывного валика, шт/м.

По результатам теоретических расчетов и исследований размерных характеристик клубней, величина рабочего зазора Ь должна находиться в пределах 25...39 мм.

Второй ряд ботвоподводящих пальцев получает периодические колебания и здесь возможно некоторое повреждение клубней, поэтому определяем допустимый режим этих колебаний.

Принимаем, что свободный клубень покидает элеватор и двигается до момента контакта с ботвоподводящим пальцем под действием силы тяжести и силы сопротивления воздуха. В момент контакта кинетическая энергия системы (клубень-ботвоподводящий палец) переходит в энергию их упругой деформации.

По результатам теоретических исследований имеем:

Ет = а? ■

1.-5

т-82 + Т

1-

т-Б1

/„•З-т-К* -Бта

1 +

от-52

2-М*+0

-1

(6)

ш-5 +/„

где Ей,,, - кинетическая энергия системы (клубень-ботвоподводящий палец), Дж; 1„ - момент инерции ботвоподводящего пальца относительно оси подвеса, кг-м2; со - угловая скорость колебания ботвоподводящих

пальцев, с"1; Э - длина пальца от оси подвеса до точки контакта с клубнем, м; т - масса клубня, кг; . скорость клубня в момент контакта с пальцем, м/с.

Условие неповреждения клубней: я

(7)

о

где - допустимая работа упругой деформации клубня, Дж; Р| - сила, с которой ботвоподводящий палец действует на клубень, Н; Я - суммарная деформация клубня и ботвоподводящего пальца в процессе их соударения, м.

Решая контактную задачу Герца для двух тел произвольной формы -ботвоподводящего пальца и клубня, определяем допустимую энергию деформации последнего Wg. На основе выражения (6) находим предельную угловую скорость колебания ботвоподводящих пальцев юдоп=4,53 с'1, обеспечивающую допустимый по агротехническим требованиям уровень повреждений клубней. Действительная угловая скорость колебания ботвоподводящих пальцев равна со=3,58 с"1, следовательно, для выбранных размеров и режимов работы ботвоудалителя повреждения клубней будут незначительны.

В четвертой главе, «Лабораторные исследования», изложены методики исследования модуля упругости материала выступов - резины, а так же методика и результаты лабораторных исследований серийного и нового ботвоудалителей.

Для уточнения модуля упругости материала выступа Е, измерялись прогибы у,,, выступа под действием силы Р„, приложенной в различных его сечениях.

По результатам измерений прогибов резинового выступа определялся модуль упругости материала, из которого он изготовлен, по формуле (8):

- Г

.з-л2 я.

(8)

Установлено, что Е=5,03 МПа. Это было использовано при теоретическом анализе процесса ботвоудаления.

В ходе лабораторных исследований ботвоудалителей определялись: полнота удаления растительных примесей, повреждения и потери клубней, уточнялась величина рабочего зазора - Ь между отрывным валиком и элеватором, полученная теоретическим путем.

В качестве переменных факторов были приняты: Х1 - рабочий зазор между отрывными валиками и элеватором, мм; Х2-величина подачи вороха в ботвоудалитель, кг/с; Хз - расстояние между бот-воподводящими пальцами, мм; Х4 - содержание клубней на столонах в по-

ступившем ворохе, %.

План ПФЭ 23 для серийного ботвоудаляющего рабочего органа приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Уровни и интервалы варьирования факторов при лабораторных исследованиях серийного ботвоудалителя.

Факторы Ед. изм. Основной уровень Интервал варьир. Верхний уровепь Нижний уровень

№ Натур, знач. Кодир. знач. Натур, знач. Натур, знач. Кодир. знач. Натур, знач. Кодир. знач.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 X) мм 13 0 4 17 +1 9 -I

2 Х2 кг/с 4,8 0 3 7,8 +1 1,8 -1

3 Х3 мм 250 0 25 275 +1 225 -1

По результатам лабораторных исследований серийного ботвоудалителя получены следующие уравнения регрессии:

- полнота удаления растительных примесей:

Ус = 53,3 + 7,475Х,-0,925Х2-5,35Хз-3,275Х1Х3 ; (9)

- потери клубней:

У'с = 3,1775+1,205X1+0,445X2-0,5525Хз+0,2875Х1Х2-0,48Х1Хз . (10)

Как показывает опыт эксплуатации современных картофелеуборочных машин, снабженных пальчато-гребенчатым ботвоудалителем, полнота удаления растительных примесей у них составляет около 70 % от поступившей в устройство массы стеблей ботвы и сорняков.

При максимальной подаче вороха (Х2 =+1) и минимальном расстоянии между ботвоподводащими пальцами (Хз= -1), для обеспечения выполнения условия Ус£ 70, необходимо иметь 1,14 или возвращаясь к начальному значению фактора Ь^ 17,56мм. Согласно агротехническим требованиям, необходимо выполнение условия У'с< 5%, что достигается при XI <0,418, соответственно Ь<14,67мм. Следовательно, серийным ботвоудаляющим устройством, при тяжелых условиях работы, невозможно обеспечить полноту удаления растительных примесей 70% и более, когда потери клубней пе превышают 5 %.

План ПФЭ 23доя разработанного ботвоудаляющего рабочего органа приведен в таблице 2.

Таблица 2.

Уровни и интервалы варьирования факторов при лабораторных исследованиях разработанного ботвоудалителя.

Осповной Иптерпал Верхний Нижний

№ Фак- Ед. уровень варьир. уровень уровень

торы изм. Натур. Кодир. Натур. Натур. Кодир. Натур. Кодир.

знач. знач. знач. знач. знач. знач. знач.

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10

1 Х1 мм 27 0 3 30 +1 24 -1

2 Х2 кг/с 4,8 0 3 7,8 +1 1,8 -1

3 Х4 мм 12 0 12 24 +1 0 -1

По результатам лабораторных исследований разработанного ботвоудалителя получены следующие уравнения регрессии: - полнота удаления растительных примесей:

Ум=72,7287+10,0963Х1-1,079Х2-2,1038Х4-1,4463Х,Х2-7,9213Х,Х4; (11) -потери клубней:

У'м=3,1513+1,4238X1+0,6462Хг+0,1988X4-0,16З7Х1Х2Х4 . (12)

При максимальной подаче вороха (Х2~+1) и содержании клубней на столонах в поступившем ворохе (Х4=+1) для обеспечения выполнения условия Умй70 % необходимо иметь Х1> 0,623 или возвращаясь к натуральному значению фактора Ь>28,87 мм. Согласно агротехническим требованиям, необходимо выполнение условия У'„<5 %, что достигается при Х1<0,7965, соответственно Ь<29,39 мм. Окончательно, величину рабочего зазора между отрывными валиками и элеватором при максимальной загрузке разработанного ботвоудалителя, принимаем равной 29 мм.

При лабораторных исследованиях нового ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа полнота удаления растительных примесей и потери клубней составили 56...96% и 0,9...5,3%, в то время, как у серийного устройства они были, соответственно, 42...70% и 1,8...6,3%. Что подтверждает эффективность предлагаемого ботвоудаляющего рабочего органа.

Кроме полноты удаления растительных примесей и потерь клубней, важным показателем, характеризующим работу устройства, является количество и степень повреждений клубней. Поэтому, для их исследования проводились опыты на различных режимах работы ботвоудалителей (скорости отрывного валика - Ув) и определялись планируемые потери клубней при хранении в период с октября по май (рис. 4).

Как следует из рис. 4, используя разработанный ботвоудалитель, можно

добиться снижения потерь клубней при хранении в среднем в 2 раза, по сравнению с серийным устройством, так как в первом случае потери составляют 1,77...3,23 %, а во втором 3,94—7,01 %.

Пхр,%

с в

б-

1

<

< > )

г

г

1,4

1,5

1,6 1,7 1,8 Ув(Уэ), м/с

Скорость отрывного валика (элеватора)

Рис. 4. Потери клубней при хранении после работы на различных

режимах серийного и разработанного ботвоудалителей: Серийный ботвоудалитель:

I в • - соответственно, теоретические и экспериментальные данные; Разработанный ботвоудалитель:

■ Ш и О - соответственно, теоретические и экспериментальные данные.

к

В пятой главе, «Полевые исследования и технико-экономический расчет», изложены методики исследования физико-механических свойств картофельного вороха, методика и результаты хозяйственных испытаний экспериментального колателя-погрузчика, а так же методика и результаты определения технико-экономической эффективности применения нового бот-воудалителя на картофелеуборочной машине.

Хозяйственные испытания экспериментальных картофелеуборочных машин, проходившие на полях Тульской и Рязанской областей подтвердили теоретические и лабораторные исследования.

Годовой экономический эффект от использования экспериментального копателя-погрузчика с разработанным ботвоудалителем, за счет снижения эксплуатационных затрат, потерь и повреждений клубней составляет 3521 руб. на 1 гектар.

Общая площадь убранная за три года экспериментальными картофелеуборочными машинами превысила 100 га.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что существующие рабочие органы для удаления растительных примесей в картофелеуборочных машинах недостаточно эффективны. Они не обеспечивают в широком диапазоне условий работы устройств полное отделение стеблей ботвы и сорняков от клубней при допустимых потерях и повреждениях последних. Из наиболее распространенных способов удаления растительных примесей самыми эффективными являются те, где используются различия размерных характеристик компонентов картофельного вороха, а наиболее современным с точки зрения снижения повреждений клубней и малой материалоемкости конструкции является ботвоудалитель пальчато-гребенчатого типа.

2. Установлено, что в момент поступления картофельного вороха в ботвоудалитель уборочной машины на столонах удерживается 21...24 % клубней, которые при несовершенстве рабочего органа для удаления растительных примесей, могут попасть в потери вместе со стеблями ботвы.

3. Исследования показали, что в процессе прохождения технологической цепочки картофелеуборочной машины, стебли ботвы занимают преимущественно поперечные сектора, где их количество составляет на поле около 82 %, на первом и втором элеваторах около 55 %. Оставшиеся 45 % стеблей, расположенные вдоль второго элеватора, могут не выделиться на ботвоподводящих пальцах и попасть в тару с клубнями.

4. С целью повышения полноты удаления растительных примесей, уменьшения повреждений и потерь клубней разработан ботвоудалитель пальчато-гребенчатого типа, состоящий из двух рядов ботвоподводящих пальцев и отрывного валика небольшого диаметра, имеющего на своей рабочей поверхности резиновые выступы в форме усеченного конуса (свидетельство на полезную модель № 14753).

5. Определены, в результате теоретических и лабораторных исследований нового ботвоудалителя, рациональные размеры резиновых выступов, в форме усеченного конуса высотой Н — 24 мм, радиусами основания и вершины, соответственно, II = 15 мм и г = 6 мм. Расположены выступы продольными и поперечными рядами по всей рабочей поверхности отрывного валика на расстоянии Ь = 25 мм друг от друга. По результатам теоретических исследований установлена допустимая угловая скорость колебания задних ботвоподводящих пальцев, исходя из условия неповреждения клубней, равная Юд0П = 4,53 с"1, что не превышает их действительную угловую скорость ю = 3,58 с"1.

6. Определена, в результате теоретических исследований нового ботвоудалителя, рациональная величина рабочего зазора между отрывным валиком и элеватором в пределах 25...39 мм. В последующем, при лабораторных исследованиях она была уточнена и принята равной 29 мм. При этом полнота удаления растительных примесей составила 56...96 % и потери клубней

0,9...5,3 %, в то время, как у серийного ботвоудалителя, эти показатели были, соответственно, 42...70 % и 1,8...6,3 %. Прогнозируемые потери клубней при хранении, в случае применения нового ботвоудалителя составят 1,77...3,23 %, что в 2 раза меньше, чем у серийного устройства -3,94... 7,01%.

7. Данные полученные в ходе проведения хозяйственных испытаний экспериментальных картофелеуборочных машин с новым ботвоудалителем пальчато-гребенчатого типа на полях Тульской и Рязанской областей подтвердили результаты лабораторных исследований о высокой полноте удаления растительных примесей, обеспечиваемой устройством - 85,03%, по сравнению с серийным аналогом, где этот показатель равнялся 58,9%. В целом при использовании экспериментального копателя-погрузчика наблюдалось снижение повреждения клубней на 1,0...2,0 %, а их потери составили около 5%. В то время, как у серийной картофелеуборочной машины потери клубней превысили 7,4%. За три года экспериментальными копателями-погрузчиками было убрано более 100 га картофеля. Годовой экономический эффект от применения экспериментальной картофелеуборочной машины с новым ботвоудалителем, за счет снижения эксплуатационных затрат, потерь и повреждений клубней, составляет 3521 руб/га.

8. Результаты теоретических, лабораторных и полевых исследований приняты и используются при разработке новых ботвоудаляющих рабочих органов картофелеуборочных машин в АООТ «Фирма Комбайн» г. Рязань и ОАО «ВИСХОМ» г. Москва.

Публикации по теме диссертации:

1. Анализ энергетических показателей сельскохозяйственных машин. Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 2, часть 2. - Рязань, РГСХА, 1998 г. с 88-89, (соавторы Успенский И.А., Переведенцев В.М. и др.).

2. Ботвоудаляющее устройство картофелеуборочного комбайна. Инф. лист. № 96-99, Рязанского ЦНТИ, Рязань, 1999 г., (соавторы Коноплев С.А., Успенский И.А.).

3. Исследование потерь картофеля и путей их снижения в процессе уборки и доставки потребителю. / Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 3, часть 2. - Рязань, РГСХА, 1999 г., с. 34-35, (соавторы Бышов Н.В., Колиденков В.М. и др.).

4. Исследование размерных характеристик растительных остатков после механической уборки картофельной ботвы. / Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 3, часть 2. - Ря-

зань, РГСХА, 1999 г., с. 38-40, (соавторы Переведенцев В.М., Успенский И.А. и др.).

5. Аспекты повышения эффективности работы ботвоудаляющих устройств картофелеуборочных комбайнов. / Современные энерго- и ресурсосберегающие системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 3, часть 2. - Рязань, РГСХА, 1999 г., с. 52-54.

6. Копатель для уборки картофеля. «Достижение науки и техники в АПК», № 2,2000 г., с. 31-33, (соавтор Переведенцев В.М.).

7. Анализ способа ботвоудаления по парусности. / Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве. Сб. научн. трудов 11-ой научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны РФ. - Рязань, РГСХА, 2000 г., с. 200-201, (соавторы Бышов Н.В., Успенский И.А.).

8. Некоторые физико-механические свойства культуры картофеля определяющие работу ботвоудаляющих устройств. / Энергоресурсосбережение в механизации сельского хозяйства. Сб. научн. трудов. - Самара, РГСХА, 2000 г., с. 124-126, (соавторы Бышов Н.В., Успенский И.А.).

9. Модернизация ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа. Инф. лист. № 61-121-00, Рязанского ЦНТИ, Рязань, 2000 г.

10. Свидетельство на полезную модель № 13587 МКИ А01Д 33/08. Бот-воудалягощее устройство картофелеуборочного комбайна. Опубл. 10.05.2000 г., Бгол. № 13, ( соавторы Бышов Н.В., Кочетков В.А. и др.).

11. Анализ способа ботвоудаления по коэффициенту трепля. / Современные энерго- и ресурсосберегающие системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 4, часть 2. - Рязань, РГСХА, 2000 г., с.22-24, (соавторы Бышов Н.В., Замишаев В.М. и др.).

12. Определение параметров выступов отрывного валика ботвоудалителя. / Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 4, часть 2. - Рязань, РГСХА, 2000 г., с. 32-34, (соавторы Бе-лоусова Т.С., Лебедев Б.С. и др.).

13. Анализ способа ботвоудаления по размерам. / Современные энерго-и ресурсосберегающие системы сельскохозяйственного производства. Сб. научн. трудов. Выпуск 4, часть 2. -Рязань, РГСХА, 2000 г., с. 40-42.

14. Свидетельство на полезную модель № 14753 МКИ А01Д 33/08. Бот-воудаляющее устройство. Опубл. 27.08.2000 г., Бюл. № 24, (соавторы Бышов Н.В., Кочетков В.А. и др.).

Подписано к печати 02.11.2000 г. Формат бумаги 60x90,1/16

Объем 1,0 п.л. Заказ № 7 тираж 100 экз.

Типография Рязанской ГСХА им. проф. П. А. Костычева

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Назначение и основные виды ботвоудаляющих рабочих органов картофелеуборочных машин.

1.2. Ботвоудаление на основе различия коэффициентов трения компонентов картофельного вороха.

1.3. Ботвоудаление на основе различия коэффициентов парусности компонентов картофельного вороха.

1.4. Ботвоудаление на основе различия размерных характеристик компонентов картофельного вороха

1.5. Задачи исследований.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. Физико-механические свойства культуры картофеля, определяющие работу ботвоудалителей картофелеуборочных машин

2.1. Общие сведения о физико-механических свойствах.

2.2. Расположение и полеглость стеблей ботвы.

2.3. Размерно-массовая характеристика стеблей ботвы, клубней и их коэффициенты трения.

2.4. Прочностные свойства стеблей ботвы, столонов и клубней.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. Теоретические исследования ботвоудаляющего рабочего органа картофелеуборочной машины

3.1. Новая конструкция ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа.

3.2. Обоснование основных параметров устройства

3.2.1. Выбор рационального размера выступов.

3.2.2. Оптимизация координат расположения выступов на отрывном валике.

3.3. Обоснование величины рабочего зазора между элеватором и отрывным валиком.

3.4. Анализ процесса соударения клубня и ботвоподводящего пальца второго ряда

3.4.1. Определение кинематических и энергетических параметров системы клубень - ботвоподводящий палец.

3.4.2. Расчет допустимой угловой скорости колебания ботвоподводящих пальцев.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. Лабораторные исследования

4.1. Программа исследований процесса ботвоудаления.

4.2. Описание лабораторной установки.

4.3. Методика экспериментальных исследований процесса ботвоудаления и обработки опытных данных.

4.4. Результаты исследований ботвоудаляющих устройств.

4.5. Программа и методика исследований модуля упругости материала выступов.

4.6. Результаты исследования модуля упругости материала выступов.

4.7. Выводы.

ГЛАВА 5. Полевые исследования и результаты технико-экономической эффективности применения нового ботвоудалителя

5.1. Программа полевых исследований.

5.2. Методика исследований физико-механических свойств культуры картофеля.

5.3. Методика и результаты хозяйственных испытаний экспериментального копателя-погрузчика.

5.4. Технико-экономическая эффективность применения разработанного ботвоудалителя на копателе-погрузчике

5.4.1. Экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат.

5.4.2. Экономический эффект от снижения повреждений и потерь клубней.

4 ' ;

5.4.3. Определение границ экономической эффективности применения экспериментального варианта копателя-погрузчика.

5.5. Выводы.

Картофель в Российской Федерации является одной из основных продовольственных культур, не уступающих по своей ценности зерну. По данным на 1998г. площадь его возделывания составила 3,27 млн. га, что обеспечивает нашей стране лидирующее место в мире по уровню валового сбора - 31,2 млн. т или около 15 % от мирового производства [112]. В то же время средняя урожайность картофеля в период с 1995 г. по 1998 г. не превышала 11,7 ц/га [12,112]. Это в несколько раз меньше, чем в развитых странах Западной Европы и США. Ситуация так же усугубляется и тем, что сельскохозяйственный производитель оказался в условиях жестких экономических отношений, когда государственные закупки картофеля в период с 1991 по 1997 г. сократились в 12 раз [52]. В результате возникла острая необходимость повышения эффективности сельскохозяйственного производства, что невозможно только за счет увеличения урожайности культуры, а должно сопровождаться и широкой механизацией технологии ее возделывания и уборки. Отметим, что трудозатраты на уборку составляют 45.70 % от общих трудозатрат [75,108]. Их снижение возможно только за счет применения новых технологий и сельскохозяйственной техники, отвечающей всем агротехническим требованиям предъявляемым к уборочным машинам. При наименьших затратах труда должно обеспечиваться: чистота клубней в таре 97 % и более, минимальные повреждения - до 5 % и потери 4.6 % клубней [93].

Между тем практика работы современных картофелеуборочных машин показывает, что они в должной мере не удовлетворяют этим требованиям. Даже при оптимальных условиях: высокой урожайности картофеля, низкой засоренности поля сорняками и влажности почвы 18-20 %, в таре для клубней имеются почва и растительные примеси. Последнее связано с несовершенством ботвоуда-лителей картофелеуборочных машин и не может быть исключено наличием такой агротехнической операции, как предварительное удаление ботвы на поле -механическим, химическим или комбинированным способом [99]. Потому, что механический способ обеспечивает только от 50 до 70% полноту скашивания растительных примесей на поле [115], химический и комбинированный способ, имеющие высокую степень удаления растительных примесей [109], на сегодняшний день в России широкого распространения не получили. Так как их дороговизна приводит к увеличению себестоимости продукции. Плюс ко всему, все перечисленные способы предварительного удаления ботвы не могут обеспечить отделение клубней от столонов, которые находятся внутри грядки.

Все это, а также то, что вопрос отделения растительных примесей от клубней в картофелеуборочных машинах, в отличие от подкопа клубненосного пласта грядки и его сепарации мало изучен, хотя и является одним из основных, подтверждает целесообразность продолжения изысканий и исследований данного вопроса.

В связи с этим, создание, совершенствование и обоснование рабочих параметров ботвоудаляющих рабочих органов применяемых в картофелеуборочных машинах, является актуальной народнохозяйственной задачей!

Следует выделить два основных перспективных направления исследований ботвоудаляющих рабочих органов [14]. Во-первых, для картофелеуборочных комбайнов, где требуется полное отделение клубней от примесей. Во-вторых, для копателей-погрузчиков, в которых допускается незначительное превышение агротехнических требований по содержанию примесей в таре с клубнями, так как используется технология уборки, предусматривающая дополнительные операции очистки клубней в стационарных условиях [58].

С учетом специфики Российских условий, где на сегодняшний день имеется в наличии дешевая рабочая сила и, отмечая тот факт, что при уборке картофеля копателем-погрузчиком повреждения клубней меньше, чем при комбайновой уборке, сконцентрируем наши изыскания на втором вышеупомянутом направлении исследований.

Некоторые отечественные и большинство зарубежных копателей- погрузчиков, до 85% машин [57], снабжены ботвоудалителями пальчато-гребенчатого типа в виде отрывного валика и ботвоподводящих пальцев. Данный рабочий орган обладает рядом преимуществ по сравнению с редкопрутковым транспортером, работающим в сочетании с прижимным полотном или лопастным битером, нашедших применение в технологических схемах картофелеуборочных комбайнов. Он более простой, менее материале- и энергоемкий, повреждения клубней при его работе не превышают агротехнических норм. Но основной недостаток паль-чато-гребенчатого ботвоудалителя - невысокая полнота удаления растительных примесей (50-70)% от общей поступившей массы [19], требует применения в уборочной машине двух и трехкратного удаления ботвы и сорняков (после первого, второго элеватора и т.д.), что не является самым рациональным решением [14].

Группой исследователей, включая автора этой работы, были предложены ряд изменений в конструкции ботвоудалителя, состоящего из отрывного валика и ботвоподводящих пальцев, целью которой являлось увеличение полноты удаления растительных примесей и снижение повреждаемости клубней. Так как рекомендации по выбору параметров нового ботвоудаляющего устройства в литературе отсутствовали, то возникла необходимость выявления его потенциальных возможностей путем определения геометрических и кинематических параметров, обеспечивающих наиболее полное отделение сорняков и ботвы от клубней, при минимальных повреждениях последних.

Работа по исследованию ботвоудалителя пальчато-гребенчатого типа картофелеуборочных машин велась в течение 1997-2000 г. в РГСХА им. профессора П.А.Костычева, на полях СПК "Коммунар" Новомосковского района Тульской области и АОЗТ «Рассвет» Рязанского района Рязанской области в соответствии с планом НИР РГСХА.

Целью настоящей работы является создание ботвоудаляющего рабочего органа, обеспечивающего высокую полноту удаления растительных примесей, низкий уровень повреждений и потерь клубней картофеля и обладающего высокой технологической надежностью.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи: обобщить результаты научных исследований способов и устройств для удаления растительных примесей в картофелеуборочных машинах, выявить перспективное направление исследования по данному вопросу; определить характер изменения некоторых физико-механических свойств, картофеля, влияющих на работу ботвоудалителей уборочных машин;

- разработать конструкцию ботвоудаляющего устройства, обеспечивающую высокую полноту удаления растительных примесей, низкий уровень повреждений и потерь клубней и обладающую высокой технологической надежностью;

- обосновать с помощью теоретических и экспериментальных исследований рациональные параметры разработанного ботвоудаляющего рабочего органа; провести хозяйственные испытания экспериментальной картофелеуборочной машины с новым ботвоудалителем и определить экономическую эффективность его применения.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований при участии автора были разработаны несколько конструкций ботвоудалителей. На две из которых получены свидетельства на полезную модель А01Д 33/08 № 13587 «Бот-воудаляющее устройство картофелеуборочного комбайна» и А01Д .33/09 №14753 «Ботвоудаляющее устройство» (приложение 1) и на одну решение о выдаче свидетельства на полезную модель по заявке №2000116165/20 «Картофелекопатель» от 22.06.2000.

Результаты исследований приняты, одобрены и используются ОАО БРЮХОМ г. Москва и АООТ Фирма Комбайн г. Рязань (приложение 2) при разработке новой техники для уборки картофеля.