автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы подкапывающих рабочих органов картофелеуборочной машины

тиси

ЧХЕТИАНИ Артем Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПОДКАПЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.20.01 — технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

с

-;< 2013

005541961

Москва-2013

005541961

Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины» в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехноло-гический университет имени П.А. Костычева».

Научный руководитель: д-р техн. наук, проф.

Угланов Михаил Борисович.

Официальные оппоненты: Горбачев Иван Васильевич,

д-р с.-х. наук, проф., чл.-кор. Российской академии сельскохозяйственных наук, Российская академия сельскохозяйственных наук, академик-секретарь отделения механизации, электрификации и автоматизации;

Судник Юрий Александрович,

д-р техн. наук, проф., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ), заведующий кафедрой информационно-управляющих систем.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального обучения «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева».

Защита состоится «А^ 2013г. в Фасов на заседании диссертационного совета Д 006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии) по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакадемии. /

Автореферат разослан « г ^ 2013 г. и размещён на

официальном сайте ДАК РФ в электронноя^азе диссертаций и авторефератов «/2у> 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук < И.А. Пехальский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур, возделываемых в Российской Федерации. По своей народнохозяйственной значимости он занимает второе место после зерна. С давних пор картофель известен как ценнейший продукт питания человека и как одна из полевых культур, выращиваемых для технических и кормовых целей.

Существующие картофелеуборочные комбайны КПК-2-01, КПК-3 при уборке картофеля на тяжелых почвах с пониженной или повышенной влажностью работают неудовлетворительно, количество почвенных комков в бункере может достигать 60 % и более. При уборке картофеля на таких почвах существующими картофелекопателями происходят большие потери клубней, достигающие 30 %.

В настоящее время нашей стране в связи с сокращением производства картофелеуборочной техники резко снизились площади под посадку картофеля, значительный объем этой культуры возделывается в фермерских и подсобных хозяйствах, поэтому достаточно остро встал вопрос совершенствования простейшей картофелеуборочной техники. В связи с этим создание подкапывающих органов, обеспечивающих крошение пласта, продвижение его по лемеху без сгруживания почвы и растительных остатков, способствующих снижению энергозатрат, является своевременной, актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Исследование выполнено в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» по планам НИОКР на 2011-2015 гг. по теме «Совершенствование интенсивных технологий и технических средств возделывания, уборки и послеуборочной обработки сельскохозяйственных культур» в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июня 2007 г. № 444 «О государственной программе развития сельского хозяйства на 2008-2012 гг.», предусматривающем «...ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных сельскохозяйственных машин и ресурсосберегающих технологий».

Объект исследования — модернизированный картофелекопатель, оборудованный самоколеблющимися лемехами.

Предметом исследования является закономерность взаимодействия самоколеблющихся лемехов с подкопанной клубненосной массой.

Цель работы - повышение эффективности работы подкапывающих органов картофелеуборочной машины за счет применения самоколеблющихся лемехов.

Задачи исследования:

- обобщение результатов научных исследований конструкций подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин;

- разработка конструктивно-технологической схемы самоколеблющихся лемехов картофелеуборочной машины;

- разработка математической модели, описывающей процесс взаимодействия подкопанной клубненосной массы с самоколеблющимися лемехами, с обоснованием рациональных параметров;

- проведение лабораторных исследований и хозяйственных испытаний модернизированного картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами и определение его экономической эффективности.

Методы исследований. Методика исследования базировалась на математическом описании процесса взаимодействия самоколеблющихся лемехов с клубненосным пластом. При этом применялись методы высшей математики, теоретической механики, численного анализа. Для проверки теоретических предпосылок проводились экспериментальные исследования в лабора-торно-полевых условиях с использованием методов планирования эксперимента. Агротехнические, эксплутационно-технологические и экономические показатели определялись в соответствии с ГОСТ и ОСТ.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель взаимодействия самоколеблющихся лемехов с клубненосным пластом при движении его по ним;

- получены аналитические выражения для определения рациональных параметров самоколеблющихся лемехов, теоретически обоснованные, экспериментально подтвержденные конструктивные и кинематические параметры самоколеблющихся лемехов;

- проведены исследования сепарации почвы и на основе градиентного метода уточнены рациональные параметры самоколеблющихся лемехов.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

- разработан способ подкопа клубненосного пласта самоколеблющимися лемехами, обеспечивающий его крошение, стабильное продвижение к элеватору, исключающий сгруживание, зависание ботвы и растительных остатков;

- разработана конструкция самоколеблющихся лемехов, обеспечивающих крошение пласта, продвижение по лемехам без сгруживания почвы, растительных остатков и снижающих энергозатраты;

- результаты исследований нашли практическое применение в конструкции модернизированного испытанного образца картофелекопателя КТН-2У.

Модернизированный картофелекопатель КТН-2У прошел хозяйственные испытания в ООО «Авангард» Рязанского района Рязанской области.

Результаты диссертационного исследования используются в хозяйствах, занимающихся производством картофеля в Рязанской области. Материалы исследования переданы в ОАО «Рязсельмаш» для внедрения в производство и используются в ГНУ ВНИМС (г. Рязань) при разработке новых машин, а также в учебном процессе при подготовке инженеров в Рязанском ГАТУ имени П.А. Костычева.

Достоверность результатов исследований подтверждается сравнительными лабораторно-полевыми и хозяйственными испытаниями картофе-

лекопателя, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение менее 5 %).

На защиту выносятся:

- конструкция и рациональные параметры самоколеблющихся лемехов;

- математическая модель, описывающая взаимодействие самоколеблющихся лемехов с клубненосной массой;

- результаты сравнительных экспериментальных исследований серийного и модернизированного картофелекопателей; экономическая эффективность применения самоколеблющихся лемехов на картофелеуборочной машине.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Рязанского государственного агротехнологиче-ского университета имени профессора П.А. Костычева и научно-практических конференциях ГНУ ВНИМС (г. Рязань, 2011-2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 7 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на полезную модель (№ 130196).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из реферата, введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 140 наименований, в том числе 8 на иностранном языке и приложений.

Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, из которых основной текст составляет 146 страниц, иллюстрирована 31 рисунком, содержит 72 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определен объект и предмет исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая ценность работы и результаты ее реализации.

В первой главе «Современные технологии возделывания картофеля и анализ конструкций машин для уборки картофеля» дается анализ существующих технологий возделывания картофеля, приводится обзор конструкций картофелеуборочных машин и их рабочих органов.

Работы по исследованию и созданию новых рабочих органов картофелеуборочных машин проводились в таких организациях, как ВИМ, ВИСХОМ, НИИКХ, ГСКБ ПО «Рязсельмаш», МГАУ имени В.П. Горячкина и др. В 1985-1987 гг. учеными ВИМ разработаны и внедрены в производство на Рязанском комбайновом заводе более совершенные картофелеуборочные комбайны КПК-3 и КПК-2-01.

Следует отметить, что общие принципы расчета сельскохозяйственных машин разработаны академиком В.П. Горячкиным. Решение этих задач применительно к теории технологических процессов и расчета рабочих органов картофелеуборочных машин приведены в работах М.И. Белова, Н.И. Вереща-

гина, A.A. Герасимова, Е.А. Глухих, И.В. Горбачева, И.П. Гудзенко, М.Н. Еро-хина, Ю.А. Измайлова, H.H. Колчина, В.А. Макарова, Н.М. Марченко, М.Е. Ма-цепуро, B.C. Митрофанова, Г.Д. Петрова, К.А. Пшеченкова, И.Р. Размысло-вича, O.A. Сафразбекяна, В.И. Славкина, A.A. Сорокина, В.И. Старовойтова, Ю.А. Судника, М.Б. Угланова, И.А. Успенского, Н.В. Фирсова и др.

На сегодняшний день существует большое количество всевозможных конструкций картофелеуборочной техники, однако все они имеют существенные недостатки:

- пассивные лемеха, применяемые на картофелекопателях КТН-2Б, КТН-2В и других, при подкопе неудовлетворительно продвигают клубненосную массу по лемеху, создают ее сгруживание, не обеспечивают хорошего крошения клубненосного пласта;

- активные подкапывающие рабочие органы, применяемые на копателе КСТ-2 и комбайне КГП-2, имеют сложный привод и конструкцию, обладают большой металлоемкостью, динамически не уравновешены, создают значительные вибрации, которые отрицательно воздействуют на обслуживающий персонал и машину;

- комбинированные подкапывающие рабочие органы на комбайне КПК-2-01, КПК-3 сложны по конструкции, металлоемки, повреждают клубни картофеля.

Проведенный научный анализ современных конструкций подкапывающих и сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин показал, что ни одна из них не обеспечивает высокого качества работы на тяжелых, переувлажненных почвах, поэтому необходимо повышать эффективность работы подкапывающих органов картофелеуборочной машины.

Во второй главе «Теоретическое исследование самоколеблющихся лемехов» приведены разработанная конструктивная схема модернизированного копателя с самоколеблющимися лемехами, результаты теоретического исследования процесса подкопа пласта самоколеблющимися лемехами, позволяющие обосновать их рациональные параметры.

Важно отметить, что в современных картофелекопателях широкое применение получили пассивные лемеха, недостатком которых является неудовлетворительное перемещение и крошение подкопанного клубненосного пласта, приводящее к его сгруживанию, а также частому зависанию ботвы и растительных остатков. Кроме того, в существующих картофелекопателях с пассивными лемехами во время работы подкопанный клубненосный пласт (рис. 1) шириной AB и CD перемещается толстым слоем, где клубни и почвенные комки по высоте расположены в 2-3 ряда, что приводит к ухудшению работы сепарирующих элеваторов.

С целью устранения отмеченных недостатков в конструкциях картофелеуборочных машин, получивших широкое распространение, с учетом периодического характера сопротивления движению клина нами была предложена улучшенная схема картофелекопателя, имеющего самоколеблющиеся лемеха (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема копателя КТН -2У: 1— подкапывающие самоколеблующиеся лемеха; 2, 3 — сепарирующие элеваторы;

4,5- приводные валы сепарирующих элеваторов; 6 - ходовые колеса

На рисунке 3 показаны самоколеблющиеся лемеха. Лемех 1 устанавливается на раме 2, к которой с помощью болтового соединения присоединяется брус 3. На брусе 3 закреплены две оси 5 с направляющими 4. На осях 5 установлены упорные шайбы 6, 7, пружины 8. Величину хода пружин регулируют втулками 9, имеющими резьбу. Во время работы лемеха совершают колебательные движения от периодического сопротивления почвы.

Колебательное движение лемехов обеспечивает хороший подкоп и крошение пласта, его стабильное продвижение к элеватору, предотвращает сгруживание, зависание ботвы и растительных остатков.

Картофелекопатель, оборудованный самоколеблющимися лемехами, работает следующим образом: при движении агрегата подкапываемый пласт вначале деформируется, а затем скалывается. При деформации почвы пружины сжимаются, при скалывании - разжимаются. Таким образом, лемеха совершают колебательные движения, что обеспечивает крошение пласта,

продвижение его по лемехам, снижение тягового сопротивления, а также рассредоточение почвы в поперечном направлении, при этом площадь поперечного сечения грядок остается постоянной, а высота грядок уменьшается.

1- самоколеблющийся лемех; 2 - рама; 3 - брус; 4 — направляющая; 5 - оси; 6, 7 - упорные шайбы; 8 - пружины; 9 - регулировочные втулки; 10 - крепежные болты с гайками и шайбами

По мнению академика В.П. Горячкина, при определении основных элементов подкопа пласта лемехом физический смысл резания почвы клином объясняется следующим образом. Клин вдавливается в материал с переменным усилием. Вначале это давление равно нулю, а затем начинает постепенно возрастать, по мере того как резец все более и более углубляется. Затем сопротивление сжатия возрастает до того предела, который достаточен для скалывания элемента по некоторому направлению (под углом ц/). После скалывания этот элемент начинает скользить одновременно по плоскости скалывания и по рабочей плоскости клина. При этом снова повторяется тот же процесс, а образуемая стружка состоит из отдельных элементов, сдвинутых относительно друг друга (рис. 4).

Рассмотрим взаимодействие клина с почвой (рис. 5) и определим основные элементы подкопа пласта лемехом (клином).

Пусть е - толщина пласта; Ь - ширина залегания клубней в гнезде, Ь = 240...300 мм; а / - сдвиг одного элемента по отношению к другому; о^б -площадь смятия; а - путь резца;/- коэффициент трения элементов стружки при сдвиге; Р - тяговое усилие; N - нормальная реакция; Я - реакция неде-формированной почвы, находящейся перед лемехом; у — угол скола (рис. 5).

Рис. 4. Схема скалывания почвы под воздействием клина

Р - тяговое усилие; е - толщина клубненосного пласта, а - угол наклона лемеха;

\(/ - угол скола

Рис. 5. Схема сил, действующих на пласт

Используя теорию клина академика В.П. Горячкина, определим основные элементы подкопа пласта:

к2Ье$т{а + 2(р)ып'

90--Я

соъфсоъ'

2[ а + (р + (рх

есоз^вт'

90° - Щ

(ю+Ф-а

сое -—--

I 2

СОБ'

3(а + (р+фх ^

(1)

(2)

где к2- напряжение сжатия.

Длину лемеха определим из условий отсутствия сгруживания почвы на нем. Без учета сопротивлений деформациям на поверхность ВЛСЛ лемеха действуют следующие силы (рис. 6):

Рис. 6. Силы, действующие на лемех Л] - реакция недеформированной почвы, находящейся перед лемехом; J— динамическое давление, обусловленное силой инерции пласта почвы; С - сила тяжести пласта почвы; Я-результирующая элементарных нормальных сил и сил трения на рабочей поверхности лемеха; ВЛСЛ - поверхность лемеха

Определим условие нормальной работы лемеха без сгруживания почвы. Найдем наибольшее значение реакции недеформированной почвы Л] (подпор пласта):

Я.

= 0,5 • /г • В • асж ,

(3)

где Осж - временное сопротивление почвы сжатию, Па; Ь - высота грядки, м; В - ширина лемеха, м.

Решая это уравнение относительно сгсж и сделав преобразования, получим необходимую величину длины лемеха Ь, при которой не будет происходить сгруживания почвы:

IV1

2

а

сое — 2

Ь<-^-г--^--Г-(4)

•)&(« +4)

Ширину В лемеха (рис.7) определим по формуле:

В = Ъ-28 + г{Н-}1к)с1ёр, (5)

где Ь- ширина залегания клубней в гнезде, Ь = 240...300 мм, принимаем 6 = 290лш \5— смещение оси рядка относительно оси лемеха из-за отклонения центра гнезд кустов от средней линии рядка и неточности вождения уборочного агрегата по рядкам,£ = 30...50 мм, принимаем <5= 50 мм;Ик- глубина залегания крайних по ширине гнезда клубней, Ик = 60... 100 мм, принимаем Ък = 70 мм, (р - угол естественного откоса почвы, (р = 45...50°, принимаем ср = 48°.

Тогда получим ширину лемеха:

В - 290 • 2 • 50 + 2(200 - 70)cig48° = 601мм.

Рис. 7. Схема для расчета ширины лемеха

Угол наклона лемеха а определяется из условия минимального значения силы подпора пласта по формуле, предложенной профессором A.A. Сорокиным:

tgannm =-/ + V/2+l, (6)

где/- коэффициент трения почвы о металлическую поверхность лемеха, в нашем случае / = 0,7. Тогда ссопт = 27°.

Угол раствора 2 у (или У) выбираем из условия скольжения стеблей ботвы по лезвию лемеха, с тем, чтобы облегчить их перерезание и, кроме того, устранить обволакивание лемеха, если перерезания не происходит. Известно, что частица Стебля будет скользить по лезвию при условии:

7<(90-я) (7)

где <рх - угол трения растения о лезвие лемеха, Щ = 45°.

Тогда /<90° -45° =45°.

Параметры пружины определяем из расчета работы картофелекопателя в тяжелых условиях. Пружину выбираем по ГОСТ 13776-86 (марка стали 65Г ГОСТ 4543-71) из условия усилия подрезания пласта, которое равно Рс = 1100 Н и величины сжатия пружины от этого усилия hn = 40 мм. Длину пружины в нерабочем состоянии выбираем конструктивно Нп = 250 мм. С учетом сжатия пружины ее длина будет равна Нп = 210 мм.

Всем этим параметрам отвечает пружина Д = 60 мм, диаметр проволоки d = 7 мм и жесткость пружины будет сп= Pn/hn= 27,5 Н/мм.

При теоретическом определении усилия резания усовершенствованного подкапывающего лемеха картофелекопателя мы установили, что общее усилие резания пласта Рр складывается из усилия сдвига элемента пласта Рс и усилия вдавливания режущей кромки лемеха Рв, (рис. 8), то есть

РР = Рс + Рв- (8)

Данный процесс повторяется периодически. Таким образом, график общего усилия резания имеет вид, показанный на рисунке 8.

Рис. 8. Характер изменения усилия резания

Необходимо отметить, что усилие вдавливания режущей кромки Рв носит стационарный характер и зависит от физико-механических свойств почвы. Усилие сдвига Рс носит периодический пилообразный характер и может быть разложено в ряд Фурье, причем при движении клина оно возрастает от нуля до некоторого максимального значения Рс-

Разложение функции в ряд Фурье имеет вид:

rw ч а» vi тх 7 • ЯПхЛ

^c« = y + XKC0S — + bnsm~¡~(9)

где п - количество составляющих ряда Фурье, х - текущая координата оси X, ао — постоянная величина ряда Фурье, а - ход лемеха, I =1/2 а.

Общее усилие резания будет иметь вид Рр:

_ Рг Рс( . л 1.2 к 1 . Ъл 1 . пл Л

Р„(х) = Р„ + —---— sin — х + — sin —х + — sin — х+... + — sin —х ПО)

рК 1 в 2 ж\ I 2 I Ъ 1 п I У К '

Полученное усилие сдвига в виде аналитической зависимости позволило нам провести исследование динамики пласта на самоколеблющемся лемехе.

При исследовании движения лемеха мы воспользовались полученным уравнением (10). Рассмотрим систему, состоящую из лемеха и частицы почвы. Для описания движения системы мы использовали уравнения Лагранжа второго рода. Система имеет две степени свободы, поэтому в качестве обобщенных координат принимаем: х - перемещение лемеха и у - перемещение частицы грунта по поверхности лемеха (рис. 9).

Рис. 9. Перемещение системы Ру„р - сила упругости, Н; Ртр - сила трения, Н, С, - сила тяжести лемеха, (?2 - сила тяжести частицы грунта

Тогда уравнения Лагранжа будут иметь вид:

ЭГ_

Л V дх ) Эх

=а>

Эу) ду * у

(И)

Кинетическая энергия системы Т равна:

т = т,+т2,

т 1 2

где -<1 - - кинетическая энергия поступательного движения лемеха;

Т_1 2

12 —~тгу2 - кинетическая энергия частицы почвы.

Найдя составляющие и произведя преобразования, получим дифференциальное уравнение движения лемеха:

х + к2х = -а + Ь\ біп пх + — біп 2пх + — біпЗих + — ътАпх

(12)

дом.

V 2 3 4

Решим полученное дифференциальное уравнение операционным мето-

Закон движения лемеха при а = 0,05 м/с2, Ъ = 100 м/с, и = 40 м"' и

к =20 с" показан на рисунке 10

50

х®, мм 0

Рис. 10. Закон движения лемеха

Найдем закон движения частицы почвы, находящейся на поверхности лемеха. Движение лемех - частица опишем системой дифференциальных уравнений:

у = §(5Іпа-/со5 0:)-хсо5а. (13)

у = g{sma-/ соьаУ - хсоъа + Сх, (14)

где С, - постоянная величина интегрирования.

Решая эту систему и произведя преобразование, получим закон движения частицы почвы, который показан на рисунке 11.

50 о

у®, мм

-50

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

г, с

Рис. 11. Закон движения частицы почвы

Таким образом, в проведенном исследовании доказано, что подпружиненный лемех совершает колебательное движение под действием неравномерного сопротивления почвенного пласта. С помощью анализа действующих сил и разложения их в ряд Фурье (9) получено аналитическое выражение общего усилия пласта (10). На основе уравнений Лагранжа второго рода нами проведено исследование движения подпружиненного лемеха и частицы почвы, составлены дифференциальные уравнения и осуществлено их решение.

Для лемеха и частицы почвы нами установлено следующее:

- лемех совершает периодические колебания, показатели колебаний и их характер зависят от конструктивных параметров лемеха, массы лемеха и почвенной частицы, а также усилия сопротивления клубненосного пласта;

- частица почвы также совершает колебательное движение относительно лемеха, но по мере продвижения по лемеху колебания затухают.

В третьей главе «Лабораторные исследования самоколеблющихся лемехов» описаны лабораторные исследования по определению твердости и липкости почвы, коэффициента трения скольжения почвенных комков, сепарации почвы и энергозатрат.

Для исследования сепарации почвы в условиях, приближенных к реальным, в почвенный канал был посажен картофель сорта «Приекульский».

Анализ полученных результатов показал, что модернизированный картофелекопатель с самоколеблющимися лемехами КТН-2У улучшает сепарацию почвы на 25,8 % по сравнению с серийным копателем.

Для исследования энергетических затрат нами применяли специальный прибор К-50 и тезометрическую аппаратуру.

Анализ проведенных исследований показал, что затраты энергии на приводном валу модернизированного картофелекопателя уменьшились по сравнению с серийным картофелекопателем на 3,7 %, а тяговое усилие на — 6,7 %, что свидетельствует о повышении эффективности применения самоколеблющихся лемехов модернизированного картофелекопателя КТН-2У.

В четвертой главе «Полевые исследования экспериментального картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами» описаны полевые испытания картофелеуборочного копателя КТН-2У, которые были проведены в ООО «Авангард» Рязанского района Рязанской области в сентябре 2011 г.

В качестве объекта исследования был взят модернизированный картофелекопатель КТН-2У с самоколеблющимися лемехами (рис. 12) и было произведено его сравнение с серийным картофелекопателем КТН-2В.

В программу испытаний входило определение характеристик участка, изучение профиля грядок, процесса сепарации почвы на рабочих органах при помощи теории планирования эксперимента, а также проведение агротехнической оценки работы модернизированного картофелекопателя.

Рис. 12. Экспериментальный картофелекопатель КТН-2У

С целью изучения влияния колебаний лемехов на развал клубненосного пласта и рассредоточения его по лемехам в поперечном направлении мы провели исследование профиля грядки до прохода агрегата, после подкопа и после поступления пласта на начало элеватора. По полученным данным были построены графики профилей клубненосного пласта (рис.13).

Сравнение работы серийного и модернизированного копателей

Рис. 13. Графики профилей клубненосного пласта при работе серийного и модернизированного картофелекопателей

В результате исследования влияния колебаний лемехов на развал клубненосного пласта, рассредоточения его по лемехам в поперечном направлении и анализа полученных данных нами было установлено, что при движении по самоколеблющимся лемехам почвенный пласт крошится, рассредоточивается по ширине в поперечном направлении на 25,0 % и уменьшается по толщине на 12,4 %, что свидетельствует о повышении эффективности модернизированного картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами по сравнению с серийным картофелекопателем.

В программу полевых испытаний, кроме того, входило изучение сепарации почвы и повреждений клубней при помощи теории планирования эксперимента, а также исследование качества работы модернизированного картофелекопателя КТН-2У.

На основании анализа научных источников по проблеме исследования нами были выбраны три фактора, которые являются наиболее весомыми: это угол наклона самоколеблющихся лемехов Хь усилие пружины Х2 и линейная скорость полотна элеватора Х3. За параметр оптимизации у нами был принят показатель сепарации почвенно-картофельного вороха, а также составлена рабочая матрица.

Математическая модель исследуемого процесса имела вид:

у = 49,2 + 0,7x1 - 0,75х2 - 0,85х3 - 0,25*1*2 + 0,2*2*3.

Операции по определению однородности проведенного эксперимента, дисперсии воспроизводимости, проверки адекватности модели были произведены в соответствии с разработанной методикой.

Необходимо отметить, что все линейные факторы оказывают примерно одинаковое влияние на параметр оптимизации у (сепарация почвенно-картофельного вороха), хотя фактор *3 (линейная скорость элеватора), по нашему мнению, влияет несколько сильнее.

Характер влияния факторов *2 (усилие пружины) и *3 (линейная скорость элеватора) одинаков: для увеличения сепарации их необходимо уменьшать, а угол наклона лемеха - увеличивать.

Эффекты совместного влияния факторов *1*2 и *2х3 выражены слабее, чем линейные.

С помощью теории планирования эксперимента и исследования параметров изучаемого процесса градиентным методом были установлены рациональные параметры модернизированного лемеха: угол наклона лемеха а = 30°, усилие пружины 1170Н, линейная скорость полотна элеватора 1,6 м/с.

В ходе полевых испытаний установлено, что модернизированный копатель КТН-2У более интенсивно разрушает почвенные комки на рабочих передачах. Разрушение комков диаметром 100 мм и более увеличено на 38 %, а по остальным фракциям - до 42 %.

У модернизированного картофелекопателя отсепарировано клубненосной массы после первого элеватора 51,2; 50,0 и 48,1 %, а у серийного соответственно 45,3; 46,8 и 45,2 %, то есть у модернизированного в среднем на 12 % больше. Всего отсепарировано почвы: у модернизированного 88,6;

85,23 и 84,44 %, а у серийного соответственно 72,46; 69,12 и 67,57 %, то есть в среднем на 14 % больше.

По повреждениям клубней на всех передачах у обоих копателей получены близкие показатели, не превышающие агротехнические требования (5 %). Потери картофеля в виде засыпанных клубней почвой при данных скоростях у экспериментального копателя колеблются в пределах от 2,42 до 2,98 %, то есть в пределах агротребований не более 3 %, в то время как у серийного они составляют от 5,23 до 5,56 %, то есть превышают агротребования.

Важно отметить, что в целом производительность экспериментального картофелекопателя КТН-2У составила 0,35 га/ч, а серийного КТН-2В - 0,32 га/ч, то есть производительность возросла на 8 %.

Таким образом, проведенные полевые исследования модернизированного картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами КТН-2У доказали более высокие показатели разрушения почвенных комков, сепарации почвы, производительности, более низкие показатели потерь при засыпании картофеля.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность» установлено, что модернизированный картофелекопатель КТН-2У по основным показателям превосходит серийный. У него:

- производительность выше на 8 %;

- годовой экономический эффект равен 2940 руб.;

- срок окупаемости 1 сезон.

Общие выводы и рекомендации производству:

1. Проведенный научный анализ современных подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин показал, что существует большое количество всевозможных конструкций, однако все они имеют существенные недостатки:

— пассивные лемеха, применяемые на картофелекопателях КТН-2Б, КТН-2В и других, при подкопе неудовлетворительно продвигают клубненосную массу по лемеху, создают ее сгруживание, не обеспечивают качественного крошения клубненосного пласта;

- активные подкапывающие рабочие органы, применяемые на копателе КСТ-2 и комбайне КГП-2, имеют сложный привод и конструкцию, обладают значительной металлоемкостью, динамически не уравновешены, создают значительные вибрации, которые отрицательно воздействуют на обслуживающий персонал и работу машину;

- комбинированные подкапывающие рабочие органы на комбайне КПК-2-01, КПК-3 сложны по конструкции, металлоемки, повреждают клубни картофеля.

2. Разработана математическая модель взаимодействия самоколеблющихся лемехов с клубненосной массой, включающая аналитические выражения общего усилия подрезания клубненосного пласта, а также движения подпружиненного лемеха и частицы на нем.

Для лемеха установлено следующее, что лемех совершает периодические колебания, характер и показатели которых зависят от конструктивных параметров лемеха, его массы, почвы и усилия сопротивления подкапываемого пласта, причем частицы почвы совершают колебательные движения относительно лемеха, но по мере продвижения по нему колебания затухают.

3. Для выбора рациональных параметров самоколеблющихся лемехов определены аналитические выражения на основании которых установлены: длина Ь = 473 мм, ширина В = 607 мм, угол раствора у 28 < 90°, угол наклона лемеха а = 30°, жесткость пружины Z = 8,7 -13,3кг/мм.

4. Разработаны самоколеблющиеся лемехи модернизированной картофелеуборочной машины КТН-2У, которые за счет периодического сопротивления почвы совершают колебательные движения, тем самым обеспечивая подкоп пласта, его крошение, стабильное продвижение к элеватору, что исключает сгруживание, зависание ботвы и растительных остатков.

5. Полевые исследования и хозяйственные испытания модернизированного картофелекопателя КТН-2У с новым лемехом показали значительные преимущества по сравнению с серийным КТН-2В:

а) разрушение комков диаметром 100 мм и более увеличено на 38 %, а по остальным фракциям - до 42 %;

б) эффективность сепарации почвы в среднем на 14 % больше;

в) потери картофеля в виде засыпанных почвой клубней нового копателя составляют в пределах от 2,42 до 2,98 %, то есть в пределах агротребований не более 3 %, в то время как у серийного - от 5,23 до 5,56 %, то есть превышают агротребования.

г) производительность экспериментального картофелекопателя КТН-2У составила 0,35 га/ч, а серийного КТН-2В - 0,32 га/ч, то есть производительность возросла на 8 %.

6. Технико-экономический расчет показал, что годовой экономический эффект от применения самоколеблющихся лемехов составляет 2940 руб./год на один модернизированный копатель КТН-2У.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, указанных в перечне ВАК Минобрнауки России:

1. Чхетиани, A.A. Полевые исследования экспериментального картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иван-кина, С.А. Пашуков, Н.М. Воронкин, A.A. Чхетиани // Аграрная наука Евро-северо-востока. - 2012. - № 2 (27). - С. 64-67.

2. Чхетиани, A.A. Теоретическое исследование движения самоколеблющегося лемеха картофелеуборочной машины [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, A.A. Чхетиани // Техника и оборудование для села. - 2012. - № 12. -С. 8-11.

3. Чхетиани, A.A. Картофелекопатель с подпружиненным лемехом [Текст] // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. - № 2. - С. 9-10.

4. Чхетиани, A.A. Экспериментальные исследования модернизированного картофелекопателя КТН-2В [Текст] // Техника и оборудование для села. -2013.- №4.-С. 17-18.

5. Чхетиани, A.A. Определение основных элементов подкопа почвенного пласта лемехом картофелеуборочной машины [Текст] // Техника и оборудование для села. - 2013. -№ 6 - С. 21-22.

6. Чхетиани, A.A. Хозяйственная проверка модернизированного картофелекопателя с подпружиненным лемехом [Текст] // Техника и оборудование для села.-2013.-№ 6.-С. 18-20.

7. Чхетиани A.A. Экономическая оценка агрегата МТЗ-80+КПК-2-01 с устройствами противоскольжения [Текст] / А.Е. Можаев, М.М. Махмутов,

A.A. Чхетиани II Техника и оборудование для села. -2013. -№ 3. - С. 37-40.

Статьи в других научных изданиях:

8. Чхетиани, A.A. Совершенствование картофелеуборочной техники путем модернизации лемеха [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, С.А. Пашуков, Н.М. Воронкин, A.A. Чхетиани. - Бугульма: НО Фэн-наука, 2011. -С.14—16.

9. Чхетиани, A.A. Анализ современных технологий возделывания картофеля и конструкций картофелеуборочных машин [Текст] // Наука и техника в современном мире: сб. материалов Междунар. заоч. науч.-практ. конф. -Новосибирск, 2011- С.115-119.

10. Чхетиани, A.A. Картофелекопатель для работы на тяжелых почвах [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, С.А. Пашуков, Н.М. Воронкин,

B.А. Хрипин, A.A. Чхетиани // Сб. науч. тр. / ГНУ ВНИМС Россельхозакаде-мии, Рязань, 2011. - С. 15-17.

11. Чхетиани, A.A. Обоснование основных параметров модернизированного лемеха картофелеуборочной машины [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иванкина,

C.А. Пашуков, Н.М. Воронкин, О.И. Журавлева, A.A. Чхетиани // Сб. науч. тр. / ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии, Рязань, 2011. - С.14-15.

12. Чхетиани, A.A. Лабораторные исследования модернизированного картофелеуборочного копателя с самоколеблющимся лемехом [Текст] / М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, С.А. Пашуков, Н.М. Воронкин, A.A. Чхетиани // Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК: межвуз. науч. сб. - Вып. 6. - Уфа, 2011. - С.75-78.

Патенты:

13. Патент на полезную модель № 130196 Российская Федерация МПК A01D 33/00. Выкапывающее устройство картофелеуборочной машины М.Б. Угланов, О.П. Иванкина, Н.М. Воронкин, И.С.Глазунов, A.A. Чхетиани, заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский агротехнологический университет имени П.А. Костычева» - 2012156303/13; заявл. 24.12.2012; опубл. 20.07.2013. Бюл. № 20. - 2с: ил.

Подписано в печать 14.11.13. Формат бум.60><90 1/16. Усл. печ. л 1,5. Тираж 100 экз. Зак. № 33.

Типография ГНУ ВИМ, Москва, 109428,1-й Институтский проезд, д. 5.

ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПОДКАПЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

На правах рукописи

04201450330

ЧХЕТИАНИ Артем Александрович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

Реферат

Картофель по своей народнохозяйственной значимости занимает второе место после зерна и возделывается в фермерских, личных, и подсобных хозяйствах.

В связи с переходом на рыночные отношения в стране резко сократились площади под посадку картофеля в общественном секторе, а также производство картофелеуборочной техники.

Поэтому в этих условиях возникает проблема дальнейшего совершенствования простейшей картофелеуборочной техники и совершенствования их рабочих органов.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы подкапывающих органов картофелеуборочной машины за счет применения самоколеблющихся лемехов.

Проведены теоретические исследования модернизированных лемехов с обоснованием их основных рациональных параметров.

Лабораторно-полевые исследования подтвердили результаты теоретических исследований, а хозяйственные испытания с применением теории планирования эксперимента позволили обосновать рациональные параметры самоколеблющихся лемехов и выявить значительные преимущества модернизированного копателя по сравнению с серийным.

Технико-экономический расчет экспериментального копателя, оснащенного самоколеблющимися лемехами выявил его преимущества по сравнению с серийным и дал годовой экономический эффект в сумме 2940 руб. на один модернизированный копатель.

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат................................................................................................2

Перечень условных обозначений.................................................................6

Введение...............................................................................................9

Глава 1. Современные технологии возделывания картофеля и анализ конструкций машин для уборки картофеля..................................................................14

1.1. Анализ технологий возделывания картофеля....................................................14

1.2. Способы уборки картофеля.................................................................20

1.3. Состояние развития конструкций картофелеуборочной техники...................21

1.4. Анализ подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин......29

1.5. Анализ физико-механических свойств почвы..........................................35

1.5.1. Механические свойства почвы..........................................................35

1.5.2. Фрикционные свойства почвы.............................................................38

1.6. Анализ теоретических исследований по подкапыванию клубненосного пласта...................................................................................................40

1.6.1. Анализ основных направлений и результатов исследований подкапывающих рабочих органов....................................................................................40

1.6.2. Пассивные подкапывающие рабочие органы...........................................41

1.6.3. Активные подкапывающие рабочие органы..........................................44

1.6.4. Комбинированные подкапывающие рабочие органы..................................46

1.7. Цель и задачи исследования...............................................................48

Выводы по первой главе..........................................................................49

Глава 2. Теоретическое исследование самоколеблющихся лемехов...................50

2.1. Предлагаемая конструкция модернизированного копателя с самоколеблющимися лемехами.....................................................................................50

2.2. Условия продвижения почвы по лемеху.................................................55

2.3.Определение основных элементов подкопа пласта лемехами......................58

2.4. Обоснование основных параметров самоколеблющихся лемехов картофелеуборочной машины................................ ................................................................63

2.5. Исследования усилия резания усовершенствованного подкапывающего лемеха картофелекопателя......................................................................................68

2.6. Исследование движения лемеха...........................................................72

Выводы по второй главе............................................................................81

Глава 3. Лабораторные исследования самоколеблющихся лемехов...................82

3.1. Программа исследований..................................................................82

3.2. Характеристика объекта исследования.....................................................82

3.3. Измерительные приборы............................................................................84

3.4. Исследование твердости почвы...........................................................85

3.4.1. Методика исследования твердости почвы............................................85

3.4.2. Результаты исследований...................................................................87

3.5. Исследование липкости почвы............................................................88

3.5.1. Методика исследований липкости почвы.............................................88

3.5.2. Результаты исследований.................................................................89

3.6. Исследование коэффициента трения скольжения

почвенно-картофельного вороха...............................................................90

3.6.1. Методика исследований..................................................................90

3.6.2. Результаты исследований...................................................................92

3.7. Исследование сепарации почвы...........................................................93

3.7.1. Методика исследований..................................................................93

3.7.2. Результаты исследований...................................................................93

3.8. Исследование энергетических затрат...................................................95

3.8.1. Приборы и оборудование при проведении исследований........................95

3.8.2. Методика исследований..................................................................98

3.8.2.1. Методика исследований энергетических затрат и характера изменения общего тягового усилия...................................................................................98

3.8.3. Результаты исследований...............................................................101

3.9. Выводы по третьей главе........................... .......................................102

Глава 4. Полевые исследования экспериментального картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами........................................................................103

4.1. Программа полевых исследований.....................................................103

4.2. Методика лабораторно-полевых исследований......................................103

4.2.1. Методика исследования профиля картофельной грядки.........................103

4.2.2. Методика агротехнической оценки...................................................107

4.2.3. Методика планирования эксперимента...............................................109

4.3. Полевые исследования модернизированного картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами............................................................................111

4.3.1. Объект исследования.......................................................................111

4.3.2. Исследование профиля картофельной грядки......................................114

4.3.3. Исследование сепарации почвенно-картофельного вороха......................119

4.3.4. Результаты полевых испытаний........................................................127

4.4. Выводы по четвертой главе...............................................................131

Глава 5.Технико-экономическая эффективность..........................................132

5.1. Исходные данные...........................................................................132

5.2. Расчет технико-экономических показателей..........................................133

5.3. Эксплуатационные затраты...............................................................135

5.4. Показатели эффективности инвестиций...............................................137

Общие выводы и рекомендации производству............................................140

Литература...........................................................................................142

Приложения........................................................................................156

}У - абсолютная влажность, к/о; (р, - угол внутреннего трения, град; г - напряжение сдвига, кг/см ; <ух - разрушающее напряжение, кг/см2;

2 - координата, перпендикулярная плоскости касания; Р - сила подпора, Н; V, - скорость движения лемеха в почве, м/с;

¥п - скорость перемещения почвы по лемеху, м/с;

Перечень условных обозначений

Глава 1

5 - площадь поперечного сечения пласта, м2; Л - длина лемеха, м; У ом ~ удельный вес почвы, кг/м3; а - угол наклона лемеха, град.; ср - угол трения почвы о сталь, град; Р7 - сила тяги, Н;

К - удельное сопротивление почвы,

2

кг/м ;

у/ - угол скола почвы, град;

V - поступательная скорость клина,

м/с;

г - касательное напряжение, Н/м ; <т - нормальное напряжение, Н/м ; ¡л - угол внутреннего трения, град; а — угол наклона клина, град; Рх — тяговое сопротивление, Н; (р - угол трения почвы о клин, град; И' - нормальное напряжение, Н/м ; сгпр - предельное сопротивление почвы

отрыву, Н/м ;

л

Робщ - общая сила резания, Н/м ;

<2 - вес почвы, кг; 2х - основание грядки, м; у - высота грядки, м; Глава 2

/ - коэффициент трения; Я, - реакция почвы, Н; у - динамическое давление, Н; Се - сила тяжести пласта, Н; К - результирующая сила, Н; к - высота грядки, м; В - ширина лемеха, м; Ь - длина лемеха, м; р - плотность почвы, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с ;

8 - смещение оси рядка, м; кк - глубина залегания клубней, м; 2у - угол раствора лемеха, град;

2

сгсж - напряжение смятия почвы, Н/м ;

5 - толщина режущей кромки, м; аЬ - рабочая плоскость клина, м ; 5 - сила скалывания, Н; Р - сила сопротивления клина, Н; N - нормальное давление, Н; Я — нормальное давление на подошву клина, Н;

Ь - ширина пласта, м;

е - толщина пласта, м;

Р1р - сила трения, Н;

9 - угол Мора, град;

К2 - предельное напряжение смятия,

Н/м2;

К4 - предельное напряжение скалывания, Н/м2;

Ъ — ширина пласта, м; а - путь лемеха, когда произойдет скалывание, м;

Глава 3

X - жесткость пружины, Н/мм; Рс - усилие сдвига, Н; Рв - усилие вдавливания режущей кромки, Н;

Тх - кинетическая энергия движения лемеха;

Т2 - кинетическая энергия почвенной частицы;

х - перемещение лемеха, м; у - перемещение частицы почвы, м; х' и у' - обобщение скорости, м/с ; V - скорость частицы, м/с ; Рупр - сила упругости пружины, Н;

С - коэффициент жесткости пружины; б* и (2У ~ обобщенные силы, Н; т{ - масса лемеха, Н; т2 - масса частицы, Н;

А,,И2..\— высоты снятия с диаграмм, мм;

Иср - средняя высота, мм;

п - число замеров высот; Р - сила вдавливания, Н; g - жесткость пружины, Н/мм; Я - твердость пружины, Н/мм ; ^ - площадь штампа, см2; р - липкость почвы, Н/см ;

L - горизонтальный катет, мм; Q - поступившая масса почвы на элеватор, Н;

Qx - отсепарированная почва, Н; Q2 - масса, сошедшая с элеватора, Н; у - показатель сепарации, о/о; RBOM - тяговое усилие, которое мог бы развить электродвигатель за счет мощности через В ОМ, кН;

Р1 - усилие отрыва штампа, Н; ц - удельная нагрузка на 1 см , Н; / - коэффициент трения; а - угол наклона плоскости, град; Н - вертикальный катет, мм;

С - коэффициент сепарации почвы, о/о;

П — количество повреждения, приходящихся на 100 шт. клубней; п - количество клубней в пробе; у - параметр оптимизации, о/о; Ь0,Ь, - коэффициенты, которые

Б - балансовая стоимость машины, руб.;

у - прейскурантная цена машины, руб;

Е - коэффициент;

С - себестоимость работы, руб.;

3 - приведенные затраты, руб.;

К - коэффициент;

ЗП - заработная плата, руб.;

А - амортизационные отношения,

руб.;

Рт,,рх ~ затраты на текущий ремонт, руб.;

Nном ~ мощность, определяемая прибором К-50, Квт;

•Л

Ур - рабочая скорость тележки, кг/м ; - КПД трансмиссии;

Глава 4

определяются экспериментально; А - ширина междурядий, мм; Н - амплитуда, мм; х,,х2,х3 - факторы эксперимента; р\ - дисперсия; Сер - критерия Кохрена; / - числа степеней свободы; Глава 5

Г - стоимость горючего, руб.; Ж - производительность, га/г; Вр - ширина захвата копателя, м;

Ур - рабочая скорость, кг/м ;

г - коэффициент использования рабочего времени;

Э - годовой экономический эффект, руб.;

М - удельная материалоемкость, кг/га;

О - срок окупаемости.

Введение

Картофель является культурой умеренного климата, но при определенных условиях он успешно произрастает во всех климатических зонах России. Наиболее устойчивые его урожаи получают в районах средней широты, имеющих относительно умеренную температуру и достаточное количество осадков в период вспашки.

По своей народнохозяйственной значимости картофель занимает второе место после зерновых культур. С давних пор он известен как ценнейший продукт питания человека и как одна из полевых культур, выращиваемых на технические и кормовые цели. В 2005 году мировой сбор «второго хлеба составил» 256,4 млн. тонн с площади 18,2 млн. га при средней урожайности 14,0 т/га. Россия в 2005 году с площади 3,2 млн. га собрала 30,6 млн. тонн картофеля (средняя урожайность 9,6), что превышает 10 % мирового производства.

Годы перестройки, рыночная экономика, практически полное невмешательство государства в дела отрасли, предопредели спад производства картофеля. Картофель стало невыгодно выращивать, как следствие, увеличилась его себестоимость. Диспаритет цен, инфляция, разрушение системы государственных закупок привели к тому, что практически исчезли крупные специализированные картофельные хозяйства.

Сейчас наблюдается процесс положительного сдвига, но он объясняется ростом числа хозяйств, населения, доля, же сельскохозяйственных предприятий продолжается сокращаться. Возделывание картофеля переместилось в частный сектор, но необходимо заметить, что это чисто натуральное производство с огромными затратами человеческого труда.

Одной из причин сдерживающих развитие картофелеводства в фермерских и крестьянских хозяйствах является низкий уровень материально-технического снабжения недорогой, производительной отечественной техникой для основных процессов возделывания картофеля сельскохозяйственных предприятий. Так рассматривая наиболее трудоемкий процесс уборки картофеля, очевидно, что исполь-

зование на малых площадях высокопроизводительных картофелеуборочных комбайнов, не экономично, а на тяжелых почвах практически невозможно. Поэтому существует острая необходимость в разработке картофелекопателей способных снизить экономические затраты.

Проведение уборки картофеля с минимальными затратами труда и средств может быть достигнуто на основании совершенствования технологии его машинного производства, повышения урожайности, создание менее энергоемких машин, улучшения организации работ, высокого уровня селекции и семеноводства. Эффективность технологии может быть обеспечена лишь в том случае, если она разработана и применяется с учетом конкретных почвенно-климатических и местных условий хозяйств [15].

Более качественное выполнение технологического процесса уборки картофеля во многом зависит от работы подкапывающих органов, которые в свою очередь должны облегчать процесс сепарации. В связи с этим, совершенствование и исследование подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин, изучение влияния их геометрических параметров и кинематического режима работы на качественные показатели технологического процесса картофелеуборочных машин и их совершенство является актуальной задачей, имеющей большое значение для народного хозяйства России [21, 22, 90].

В связи с этим возникла проблема дальнейшего совершенствования простейшей картофелеуборочной техники и их подкапывающих рабочих органов.

Народно-хозяйственное значение данной научной работы заключается в создании самоколеблющегося лемеха картофелеуборочных машин, позволяющего расширить диапазон их использования и повышения их производительности.

Объект исследования - модернизированный картофелекопатель, оборудованный самоколеблющимиися лемехами.

Предметом исследования является закономерность взаимодействия самоколеблющихся лемехов с подкопанной клубненосной массой.

Цель работы - повышение эффективности работы подкапывающих органов картофелеуборочной машины за счет применения самоколеблющихся лемехов.

Задачи исследования:

- обобщение результатов научных исследований конструкций подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин;

- разработка конструктивно-технологической схемы самоколеблющихся лемехов картофелеуборочной машины;

- разработка математической модели, описывающей процесс взаимодействия подкопанной клубненосной массы с самоколеблющимися лемехами, с обоснованием рациональных параметров;

- проведение лабораторных исследований и хозяйственных испытаний модернизированного картофелекопателя с самоколеблющимися лемехами и определение его экономической эффективности.

Методы исследований. Методика исследования базировалась на математическом описании процесса взаимодействия самоколеблющихся лемехов с клубненосным пластом. При этом применялись методы высшей математики, теоретической механики, численного анализа. Для проверки теоретических предпосылок проводились экспериментальные исследования в лабораторно-полевых условиях с использованием методов планирования эксперимента. Агротехнические, эксплута-ционно-технологические и экономические показатели определялись в соответствии с ГОСТ и ОСТ.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель взаимодействия самоколеблющихся лемехов с клубненосным пластом при движении его по ним;

- получены аналитические выражения для определения рациональных параметров самоколеблющихся лемехов, теоретически обоснованные, экспериментально подтвержденные конструктивные и кинематические параметры самоколеблющихся лемехов;

- проведены исследования сепарации почвы и на осн