автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы стола доработки капустоуборочной машины

Президиум ВАК Минобрнауки России

(решение от *3±Щ

решил выдать диплом да^Ш^

К_нзук

Начальник отдела

62 11/50

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина

УДК 631.358:635.342.001.57 На правах рукописи

НЕСВЕТЕЕВ Андрей Александрович

Обоснование параметров и режимов работы стола доработки кап у с г о у б о р о ч н о й машины

Специальность 05.20.01-«Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д. т. н., профессор Костюченков Н. В.

Республика Казахстан Астана 2007

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................4

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований................................6

1.1 Требования, предъявляемые к параметрам процесса механизированной уборки белокочанной капусты...........................6

1.2 Анализ существующих способов уборки и средств механизации.........6

1.2.1 Выборочная уборка ранних сортов.............................................7

1.2.2 Сплошная уборка урожая среднеспелых, среднепоздних

и поздних сортов белокочанной капусты.....................................8

1.2.3 Частично механизированная сплошная уборка..............................8

1.2.4 Сплошная механизированная двухфазная уборка капусты...............9

1.2.4.1 Сплошная механизированная двухфазная непоточная уборка.........9

1.2.4.2 Сплошная механизированная двухфазная полупоточная уборка.... 10

1.2.4.3 Сплошная механизированная двухфазная поточная уборка..........10

1.2.5 Сплошная механизированная однофазная поточная

уборка капусты...................................................................10

1.2.6 Анализ развития конструкций капустоуборочных машин...............11

1.2.7 Анализ существующих технологических линий и приспособлений для сортировки и доработки капусты........................................14

1.2.7.1 Технологические линии послеуборочной обработки капусты.......14

1.2.7.2 Приспособления для доработки капусты.................................19

1.3 Анализ исследований физико-механических свойств капусты...........21

1.4 Выводы по I главе..................................................................28

2 Теоретические исследования.......................................................30

2.1 Структурная схема технологического процесса уборки белокочанной капусты с доведением до товарного вида..................30

2.1.2 Способы реализации идеализированного процесса уборки............32

2.2 Моделирование технологической операции процесса резания...........33

2.2.1 Силовые взаимодействия однофаскового ножа

при прямом резании материала................................................35

2.2.2 Определение силы резания при взаимодействии однофаскового ножа с меняющейся длиной лезвия (при резании предмета цилиндрической формы)........................................................39

2.2.3 Аналитическое определение полного усилия резания

при наклонном резании.........................................................41

2.2.4 Определение работы резания..................................................46

2.2.4.1 Определение работы резания при прямом резании кочерыги........46

2.2.4.2 Определение удельной работы резания при прямом резании кочерыги.........................................................................48

2.2.4.3 Определение удельной работы резания при наклонном

резании кочерыги..............................................................48

2.2.5 Определение средней силы резания..........................................48

2.2.5.1 Определение силы резания при прямом резании кочерыги...........49

2.2.5.2 Определение силы резания при наклонном резании кочерыги......49

2.3 Обоснование рациональных параметров и режимов работы механизма обрезки кочерыг стола доработки капусты.....................49

2.4 Выводы по II главе.................................................................54

3 Программа и методика экспериментальных исследований..................55

3.1 Методика определения условий проведения экспериментальных исследований........................................................................56

3.2 Описание конструкции стола доработки капустоуборочной машины..57

3.2.1 Техническая характеристика капустоуборочной машины

с доработкой продукции до товарного вида.................................57

3.2.2 Устройство и работа капустоуборочной машины с доработкой продукции до товарного вида................................................

3.2.3 Устройство и работа стола доработки капустоуборочной машины...62

3.2.3.1 Устройство стола доработки продукции..................................62

3.2.3.2 Работа стола доработки продукции.........................................64

3.3 Методика оптимизации процесса доработки продукции..................66

3.3.1 Методика определения физико-механических свойств

кочерыги..............................................................................67

3.3.1.1 Методика определения силы сопротивления резанию.................67

3.2.3.2 Методика определения плотности кочерыги.............................70

3.3.1.3 Методика определения коэффициента трения кочерыги.............70

3.3.2 Лабораторная установка для исследований и испытаний

стола доработки продукции......................................................70

3.3.3 Оценка коэффициентов математической модели, статистическая обработка данных................................................................72

3.4 Методика определения качественных показателей технологического процесса доработки до товарного вида........................................74

3.5 Выводы по III главе................................................................75

4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.................76

4.1 Результаты определения силы сопротивления резанию....................76

4.2 Результаты оптимизации процесса работы стола доработки..............82

4.3 Качественные показатели работы капустоуборочной машины

с доработкой продукции до товарного вида на уборочном агрегате.. ..91

4.4 Выводы по IV главе...............................................................97

5 Экономическая эффективность результатов исследований.................98

Выводы и предложения..............................................................108

Список литературы...................................................................115

Приложения............................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Овощеводство является одной из крупных отраслей сельского хозяйства Республики Казахстан. Под овощными культурами занято около 70 тыс. га, половина из них сосредоточена в южных областях.

Белокочанная капуста - основная овощная культура в республике. Доля капусты в посевах овощей составляет на юге до 25%, на севере - до 40%. Такое широкое распространение обусловлено как пищевой ценностью, так и большим лекарственным значением капусты. В ней содержится клетчатка, способствующая выведению из организма холестерина и улучшающая работу кишечника. Из витаминов наиболее высоко содержание витамина С, присутствуют витамины А, В,, В6, Р и К. Свежая капуста содержит много аскорбиновой кислоты и других ферментов. Медицинские качества капусты значительно расширились с открытием ее противоязвенных свойств. Фитонциды, содержащиеся в капусте, оказывают антибактериальное действие на стафилококк и туберкулезную палочку. На этом основано лечебное действие капусты при наружном применении - лечении гнойных ран, ожогов, язв и других. Свежий капустный сок полезен при гастритах с пониженной кислотностью, холециститах, колитах, а также для полоскания при воспалительных заболеваниях ротовой полости и горла.

До настоящего времени возделывание капусты сопряжено со значительными трудозатратами, из которых примерно две трети приходится на процесс уборки. Решение задачи комплексной механизации процесса выращивания белокочанной капусты предусматривает создание сортов, пригодных к механизированной уборке, совершенствование существующих и проектирование новых капустоуборочных машин.

Современные преобразования в сельском хозяйстве, реорганизация колхозов и совхозов, смена форм собственности диктуют необходимость разработки сельскохозяйственных машин для работы в условиях небольших овощеводческих хозяйств либо аренды.

На основании анализа проведенных исследований сформулированы исходные предпосылки.

Тема исследований. Обоснование параметров и режимов работы стола доработки капустоуборочной машины

Цель исследования. Повышение эффективности работы капустоубо-рочного комбайна на основе совершенствования стола доработки капусты.

Объект исследования. Технологический процесс доработки капусты до товарного вида.

Предмет исследования. Взаимосвязи технологического процесса /доработки капусты с конструктивно-кинематическими параметрами стола доработки капусты.

Научная новизна. Получены зависимости между параметрами лезвия и возникающими нагрузками, изменения сил сопротивления резанию при

различной срезаемой площади и степени внедрения ножа в кочерыгу. Исследованы физико-механические свойства кочерыги капусты. Проведены опыты по экспериментальному определению силы резания и динамических напряжений в образце.

Практическая значимость и реализация результатов исследования.

Работа выполнена в рамках научно-технической программы «Научное обеспечение производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции по регионам Казахстана на 2001 - 2005 годы», задание 02.01 -разработать новые и усовершенствовать существующие технологии, машины и оборудование для возделывания сельскохозяйственных культур, хранения и переработки растениеводческой продукции с учетом диверсификации растениеводства по регионам Казахстана по теме «Обоснование и разработка машины для уборки белокочанной капусты с доработкой продукции до товарного вида на мобильном агрегате», шифр задания 02.01.09.07И.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований даны практические рекомендации по выбору рациональных параметров и режимов работы стола доработки продукции капустоуборочного комбайна, позволяющие повысить качество доведения кочанов до товарного вида, увеличить производительность и снизить затраты на получение товарной продукции.

Результаты данной работы внедрены в ПК «Поиск» и агрофирме «Родина» Акмолинской области.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-практических конференциях КазГАТУ им. С. Сейфуллина (1998 - 2006), Кокшетауского государственного университета (1999 - 2000), Казахского национального аграрного университета (2003), Челябинского государственного агроинженерного университета (2004), НПЦ МСХ (2005).

Пра ктическая ценность. Разработан и изготовлен опытный образец стола доработки капустоуборочной машины с доведением продукции до товарного вида.

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Растение капуста и его свойства, влияющие на процесс механизированной уборки

Капуста - одна из широко распространенных овощных культур, является источником витаминов и питательных веществ. В Казахстане она воз-делывается на площади, составляющей около трети от всей, занятой овощами, а во всем СНГ занимает около 300 тыс. га.

Принятая технология возделывания характеризуется достаточно большой концентрацией производства. Площади под капустой в хозяйствах составляли до 100...150 га, теперь несколько сократились. Тем не менее, возможен переход к комплексной механизации, и большинство операций по возделыванию капусты механизированы. Наиболее трудоемкая операцией является уборка урожая. Трудозатраты на нее составляют приблизительно две трети от общих затрат на возделывание. Для уборки привлекаются значительные людские ресурсы. Поэтому важной задачей является разработка уборочной машины, обеспечивающей высокое качество уборки, снижение повреждений и потерь при минимальных затратах ручного труда.

Для решения этих задач работы по созданию капустоуборочных машин велись с начала 30-х годов. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли многие ученые и инженеры: И. Н. Болотов [9], А. С. Бакулев [7], В. И. Виноградов, Т.Д. Петров [46], Н. В. Романовский и Н. Н. Романовский [53], Н. И. Тихонов [65], В. А. Ластовенко [30], А. Р. Шумер [71], С. Б. Исенев [17], Н. В. Костюченков [24], С. А. Бабанский, А. В. Акимцев, С. Б. Исмаилов [18], В. А. Орлов [42] и многие другие.

Основными причинами недостаточно эффективного использования средств механизации уборки белокочанной капусты в настоящее время являются: отсутствие достаточного числа сортов, пригодных к механизированной уборке; реорганизация сельхозпредприятий и связанный с этим недостаток средств на приобретение и содержание техники.

1.2 Существующие способы уборки урожая капусты и средства механизации

Для внедрения механизированной уборки капусты требуется выполнения ряда мероприятий, создающих условия для работы капустоуборочных машин. К ним относятся: подбор сортов капусты; подготовка почвы; посадка рассады; борьба с сорняками и предуборочная подготовка плантаций.

Перед началом уборки на плантациях необходимо подготовить поворотные полосы шириной 10... 12 м и прорубить первые проходы шириной

8 м для обеспечения возможности движения уборочного агрегата и транспортных средств.

Для классификации способов уборки капусты можно воспользоваться схемой, предложенной С. Б. Исеневым [17], уточненной и дополненной способами послеуборочной доработки продукции (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Классификация способов уборки капусты

1.2.1 Выборочная уборка урожая ранних сортов

Из всего объема площадей, занятых под белокочанной капустой, на долю ранних сортов, убираемых выборочно, приходится около 20% [12]. При выборочной уборке срезаются и собираются только те кочаны, которые к моменту уборки имеют массу не менее, чем оговорено ГОСТом 1724 - 67 «Капуста белокочанная свежая». Другие растения на той же плантации продолжают расти. В дальнейшем сбор урожая повторяется. Весь урожай ранней капусты собирается с плантации за несколько сборов (до четырех раз). Учитывая перечисленные проблемы, а также то, что эти машины будут весьма дорогостоящими как из-за сложности, так и из-за мел-косерийности, их использование станет экономически неоправданным.

Полностью механизированные способы выборочной уборки капусты в мировой практике до настоящего время не разработаны. В середине 90-х годов в Японии разрабатывались автоматизированные комбайны для механизированной выборочной уборки капусты. Комбайн оснащался гидравлическим манипулятором («рукой»), камерой, сканирующей изображение кочанов в поле, и процессором системы управления.

Испытания этого комбайна показали, что были собраны 43% созревших кочанов. Вместе с тем, в среднем понадобилось 55 секунд, чтобы распознать и убрать один кочан. Сканирование изображение затруднялось из-за того, что кочаны имели разную степень освещенности, некоторые были прикрыты покровными листьями.

Эти исследования показали, что создание машин для выборочной механизированной уборки сопряжено с необходимостью преодоления ряда принципиальных трудностей: распознавание созревших растений, сохранение в неповрежденном виде остальных, и другие. Поэтому, учитывая их сложность и дороговизну, в ближайшем будущем подобные конструкции машин для выборочной уборки капусты, скорее всего, не будут разрабатываться и применяться.

Основным направлением снижения трудоемкости выборочной уборки урожая капусты в настоящее время является создание и внедрение технических средств для частичной механизации процесса. Применение транспортеров и овощных платформ на выборочной уборке позволяет устранить затраты времени сборщиков на вынос урожая за пределы поля и обратный переход. Эти затраты составляют при ручной уборке 30...35% рабочего времени [7].

1.2.2 Сплошная уборка урожая среднеспелых, среднепоздних и поздних сортов белокочанной капусты

Сбор урожая среднеспелых, среднепоздних и поздних сортов белокочанной капусты осуществляется единовременно. На долю этих сортов приходится около 80%о всех площадей, занятых под капустой [12]. Сроки уборки этих сортов в большинстве природно-климатических зон не превышают 15...20 дней и ограничиваются с одной стороны технической спелостью кочанов и временем установления температуры воздуха 1...5 С0, а с другой стороны - временем наступления заморозков (- 3...- 5 С°).

Неустойчивость погоды в период уборки урожая поздних сортов создает дополнительную трудность, сокращая фактический фонд времени на уборку до 10... 15 дней. Поэтому при немеханизированной уборке урожая поздних сортов ежедневно необходимо привлекать до 30...50 человек на 1 га, или 3...5 тыс. человек на каждые 100 га.

1.2.3 Частично механизированная сплошная уборка

В странах СНГ для частичной механизации уборки урожая средних и поздних сортов капусты применялись овощная универсальная платформа ПОУ-2, навесная платформа на самоходном шасси НПСШ-12А и навесной транспортер ТН-12А, разработанный Головным конструкторским бюро по механизации овощеводства (г. Москва) совместно с НИИОХ.

Транспортер ТН-12А состоит из трех секций: центральной и двух боковых. Центральная секция располагается горизонтально, боковые секции, шарнирно подвешенные к центральной, могут занимать горизонтальное положение или устанавливаются под разным углом к горизонту в зависимости от высоты погрузки. Управление угловым положением боковых секций транспортера осуществляется гидроцилиндром, работающим от гидросистемы трактора. Транспортер ТН-12