автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологического процесса и основных параметров рабочего органа для отделения ботвы моркови на корню

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткий обзор средств для механизированной уборки моркови

1.2. Анализ способов и средств для удаления ботвы моркови на корню.

1.3. Предварительные исследования по уточнению объекта исследования.

1.4. Изыскание рациональной схемы ботвоудаляющих устройств.

1.5. Агротехнические требования к машинам для уборки моркови.

1.6. Выводы и задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ К ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА.

2.1. Конструкция и принцип действия ботвоудаляющего рабочего органа.

2.2. Анализ сил, действующих на рабочий орган ботвоудалителя.

2.3. Определение внутренних силовых факторов в узловых сечениях кольца.

2.4. Определение деформации кольца.

2.5. Определение длины бича.

2.6. Выводы по второй главе.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Объект исследования, измерительные устройства, приборы и оборудование

3.3. Факторы, определяющие процесс удаления ботвы на корню и критерии оптимизации.

3.4. Планирование экспериментов и методика проведения опытов.

3.5. Методика математической обработки результатов экспериментальных исследований.v.

3.6. Проведение видеосъемки технологического процесса отделения ботвы

3.7. Методика проведения полевых исследований.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ИССЛЕ

ДОВАНИЙ.

4.1. Определение работы по разрушению ботвы.

4.2. Определение физико-механических характеристик эластичных элементов рабочего органа.

4.3. Определение мощности на привод ботвоудаляющего рабочего органа.

4.4. Результаты экспериментальных исследований.

4.5. Результаты полевых исследований ботвоудаляющего рабочего органа.

4.6. Выводы по четвертой главе.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕСКО-ПИРНОГО БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО АППАРАТА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ

ВРАЩЕНИЯ.

Выводы.

В Российской Федерации одной из самых крупных и наиболее трудоемких отраслей сельскохозяйственного производства является овощеводство. Затраты труда на получение 1 ц продукции здесь в пять раз выше, чем при возделывании зерновых культур. Из 1,2 млн. га, отведенных под овощные культуры в общественном секторе нашей страны, свыше 80 % занимают пять основных: капуста, томаты, корнеплоды, лук репчатый и огурцы [44,46,82]. При возделывании этих культур наиболее трудо- и энергоемким процессом является уборка, на которую приходится 60.70 % всех трудозатрат. Поэтому сокращение затрат и потерь при уборке, транспортировании и хранении, послеуборочной доработке является важнейшим ресурсом снижения себестоимости и, следовательно, источником пополнения продовольственного фонда страны.

Среди корнеплодов одним из наиболее ценных является морковь. Корнеплоды моркови высокопитательны, богаты витаминами, сахарином, обладают целебными свойствами; в них содержится каротин, эфирные масла, белки.

Технологии возделывания моркови, разработанные в последние десятилетия для различных почвенно-климатических условий с применением машин, оборудованных специализированными рабочими органами, значительно сократили затраты ручного труда. Механизация трудоемких процессов и борьба с сорняками агротехническими и химическими способами позволили поставить производство этой культуры на промышленную основу. Однако уборка моркови, по сравнению с другими овощными культурами, отличается более широким набором операций.

Уборка моркови в Удмуртской Республике проходит обычно в сентябре-начале октября. В это время заканчивается вегетационный период корнеплодов и идет наиболее интенсивное нарастание урожая. Но чем позднее уборка, тем в более сложных условиях она проходит [19,71,84]. Чтобы обеспечить бесперебойную механизированную уборку в таких условиях, необходимо рациональное сочетание уборочных машин теребильного и выкапывающего типа. Для различных условий могут быть предложены два основных варианта уборки: машинами выкапывающего типа с отделением ботвы до извлечения корнеплодов из почвы и машинами теребильного типа с отделением ботвы в машине после извлечения из почвы с последующей доработкой на сортировальном пункте ПСК-20 [19,25,31]. В то время как машины теребильного типа применяются во всех регионах страны, серийно выпускаемые машины выкапывающего типа для уборки моркови практически отсутствуют.

Машины теребильного типа на полях с высокой агротехникой возделывания и неполегшей ботвой обеспечивают хорошее качество уборки. Однако эти машины допускают большие потери моркови при разбросе по ширине рядка свыше 0,08м. При большой засоренности поля и сильно развитой ботве происходят частые остановки в результате забивания рабочих органов. Они имеют неудовлетворительное качество работы на тяжелых по механическому составу пойменных почвах, где чаще всего высевают морковь.

Машины выкапывающего типа менее требовательны к условиям погоды, состоянию ботвы, физико-механическим свойствам почвы. Они имеют более простую конструкцию, высокую производительность и надежны в работе [45,48,56,62,63,84]. Причиной, сдерживающей широкое внедрение уборки моркови машинами выкапывающего типа, являются трудности, связанные с процессом удаления ботвы моркови на корню. Поэтому темой диссертационной работы было выбрано обоснование технологии уборки моркови машинами выкапывающего типа с предварительным удалением ботвы.

В решении вопросов совершенствования технологии, изыскания конструкций машин и рабочих органов для удаления ботвы и уборки столовых корнеплодов в нашей стране принимали участие и внесли большой вклад В.А. Хвостов, Ю.Л. Колчинский, JI.M. Максимов, Г.Д. Петров и другие [40,70,83,84,85 90]. Из зарубежных ученых разработкой новых машин и рабочих органов для удаления ботвы и уборки столовых корнеплодов занимались К. Хингст, К. Циглер, И.Блэкберд и другие [93. 101]. Анализ опубликованных результатов позволяет сделать вывод, что проблема предварительного удаления ботвы до конца не решена, качество работы известных конструкций ботвоудаляющих устройств не соответствует агротехническим требованиям [11,23,31,42, 49, 50, 52, 53].

Целью настоящей работы является разработка нового ботвоудаляющего рабочего органа, повышающего эффективность отделения ботвы моркови на корню путем оптимизации параметров и режимов его работы.

Выбор направления работы объясняется тем, что из всех операций уборки моркови наиболее трудно механизировать операцию отделения ботвы от корнеплодов. Создание рабочего органа, способного разрешить указанную проблему в соответствии с требованиями ГОСТ 1721-85, позволит повысить качество работы всего уборочного комплекса.

Тенденция развития техники для уборки столовых корнеплодов в настоящее время такова, что идет совершенствование известных, поиск новых конструкций удалителей и новых материалов для изготовления их рабочих органов.

В ходе исследований, проведенных В.А. Хвостовым [83], теоретически установлена невыполнимость полноты отделения ботвы существующими ботворезами в соответствии с агротехническими требованиями без повреждения значительного числа выступающих головок корнеплодов. В работах J1.M. Максимова [44], В.П. Чукавина [89], В.Ф. Первушина [67] показано, что более высокие качественные показатели в диапазоне реально существующих параметров распределения высоты головок, могут быть достигнуты при работе ботво-удалителей с вертикальной осью вращения и эластичными бичами.

Объектом исследований являются рабочие органы ботвоудалителя с вертикальной осью вращения, а также состояние почвы и растений моркови на период уборки.

Предметом исследований в диссертации является технологический процесс работы ботвоудалителя, состоящий из отделения ботвы при минимальных повреждениях головок корнеплодов и выноса ее за пределы обработанной полосы.

На защиту выносится доказательство эффективности использования на уборке моркови ротационного ботвоудалителя с вертикальной осью вращения, рабочий орган которого выполнен из эластичных элементов и в результате применения которого достигается двойной эффект - зона копирования приближается к зоне обрезки и разрушающее усилие, действующее на ботву, прикладывается в зоне повышенной хрупкости ботвы около головок корнеплода.

Для установления оптимальных параметров рабочего органа ботвоудалителя предполагается применительно к условиям Удмуртской Республики изучить прочностные характеристики ботвы моркови, определить величину работы, необходимой для разрушения ботвы; выявить зависимость полноты отделения ботвы и повреждаемости головок корнеплодов от высоты установки ботвоуда-ляющего аппарата относительно поверхности поля, а также от угловой скорости вращения рабочего органа и скорости движения агрегата.

Работа выполнена в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии в соответствии с государственной программой по созданию машин для отраслей растениеводства (постановление № 50 от 20.12.1995 Межведомственного экспертного Совета при Минсельхозпроде РФ), а также в соответствии с планом научных исследований Ижевского СХИ (тема "Обоснование основных параметров и режимов работы рабочего органа для отделения ботвы моркови на корню»). Результаты исследований внедрены в ООО "Юськи" Завьяловского района, учебно-опытном хозяйстве «Июльское» Боткинского района Удмуртской Республики.

Проведенные исследования позволили сделать вывод о целесообразности применения ботвоудаляющего рабочего органа. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях в Пермской ГСХА в 1998 г. и Ижевской ГСХА в период с 1998 по 2001 г.

По материалам исследований опубликовано 8 печатных работ. Научная новизна работы заключается в том, что предложен принципиально новый рабочий орган для отделения ботвы моркови. Новизна подтверждена патентом на изо 8 бретение № 2128418 по заявке № 97119242 от 18.11.99. На защиту выносятся следующие положения:

1. Конструкция и принцип работы рабочего органа для отделения ботвы корнеплодов моркови на корню.

2. Теоретическое обоснование основных параметров и режимов работы ботвоудаляющего рабочего органа.

3. Результаты экспериментальных исследований.

4. Технико-экономическое обоснование целесообразности использования предлагаемого ботвоудаляющего рабочего органа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Машины теребильного типа для уборки моркови имеют низкие качественные показатели на полях со слаборазвитой, полегшей ботвой. Машины выкапывающего типа менее требовательны к состоянию агрофона, имеют простую конструкцию и надежность, но для их нормальной работы требуются предварительное удаление ботвы.

2. Невысокое качество работы существующих конструкций ботвоудалителей с жесткими рабочими органами обусловливается рядом причин, главными из которых являются: большая дисперсия расположения головок корнеплодов относительно поверхности почвы, слабая корреляционная связь между траекториями движения рабочего органа и копирующего элемента. Анализ научных материалов и конструкций показал, что наиболее перспективными, обеспечивающими качественное отделение ботвы, являются устройства с вертикальной осью вращения и эластичными рабочими элементами.

3. В диссертационной работе предложена новая конструкция рабочего органа, обеспечивающего максимальное сближение зон обрезки ботвы и копирования головок корнеплодов и выполняющего две технологические операции: отделение ботвы бичом и смещение валка ботвы с обработанной полосы лопастью, к которой крепится бич. Размеры рабочего органа обеспечивают удаление ботвы с двух рядков. Для согласованного вращения лопастей используется промежуточный эластичный элемент - кольцо. Теоретически обосновано, что при диаметре кольца 0,8 м бич должен иметь длину 0,14 м при ширине 0,12 м.

4. Теоретический расчет и лабораторные исследования потребной мощности показали, что ее численное значение находится в пределах от 1,5 до 1,7кВт. Ботвоудалитель рекомендуется агрегатировать с трактором тягового класса 9 кН или использовать в едином агрегате с корнеклубнеуборочной машиной.

5. По результатам экспериментов получена математическая модель процесса отделения ботвы моркови на корню ботвоудаляющим рабочим органом. Установлены зависимости полноты отделения ботвы от скорости агрегата V, угловой скорости рабочего органа ю, высоты установки Н рабочего органа относительно поверхности почвы. При этом оптимальными являются значения: F= 0,6.0,8 м/с, ш= 50. 53 с"1, Н = 0,09. .0,095 м.

6. Полевые испытания ботвоудаляющего рабочего органа подтвердили полученные теоретические положения. При вышеуказанных режимах работы полнота отделения ботвы находилась в пределах от 88 до 95%, что в 1,5.2 раза выше показателей ботвоудалителя лопастного типа с горизонтальной осью вращения. Повреждения головок корнеплодов уменьшились в три раза и не превышали уровня 5 %.

7. Использование предложенного ботвоудалителя позволило снизить затраты ручного труда на 90,9 %, прямые эксплуатационные затраты - на 79,20%; годовой экономический эффект от применения устройства составил 22 т. руб. Совокупность обоснованных в работе положений открывает перспективное направление по созданию и применению ботвоудаляющей машины, обладающей высокими качественными показателями работы, низкой энерго- и металлоемкостью, а также снижающей затраты труда.

1. А.с. № 1071251 СССР, А01 D 23/02. Очиститель головок корнеплодов от ботвы на корню / А.Г. Пастухов (СССР) 1С.: ил.

2. А.с. № 1251815 СССР, А01 D 23/02. Устройство для отделения ботвы на корню / Л.М. Максимов (СССР) 1С.: ил.

3. А.с. № 1311653 СССР, А01 D 23/02. Устройство для отделения ботвы от корнеплодов на корню/ Л.М. Максимов, В.Ф. Первушин (СССР) 1С.: ил.

4. А.с. № 246183 СССР, А01 D 33/08. Ботводробитель / И.Н.Петрягин, И.В. Блинков. (СССР) 1С.: ил.

5. А.с. № 188773 СССР, А01 D 23/02. Устройство для обрезки ботвы корнеплодов на корню / В.И.Кочев, В.Т. Надыкто, П.Л. Левчук (СССР) -1С.: ил.

6. А.с. № 810422 СССР, А01 D 23/02. Ботвосрезающий нож / И.В. Бойко, В.Е. Шикута, Ф.А. Черняков, С.В. Чернявский (СССР) -1С.: ил.

7. А.с. № 869624 СССР, А01 D 23/02. Устройство для обрезки ботвы корнеплодов на корню / А.И. Портянко, В.А. Ластовенко (СССР) -1С.: ил.

8. А.с. № 1386081 СССР, А61 D 23/02. Устройство для отделения ботвы корнеплодов на корню / Л.М. Максимов, В.Ф. Первушин (СССР) -1С.: ил.

9. А.с. № 1311653 СССР, А01 D 23/02. Устройство для отделения ботвы корнеплодов на корню / Л.М. Максимов, В.Ф. Первушин (СССР) -1С.: ил.

10. А.с. № 1251815 СССР, А01 D 23/02. Устройство для отделения ботвы корнеплодов на корню / Л.М. Максимов, В.Ф. Первушин (СССР) -1С.: ил.

11. Адлер Ю.П. Маркова Е.В. Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий,- М.: Наука, 1971.-240С.

12. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента,- М.: Металлургия,15