автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности сепарирующих горок машин для уборки и обработки картофеля и корнеплодов

о ОД » Ш 1998

На правах рукописи

НЕРСИСЯН ГРАЧЬЯ ЛЕВОНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СЕПАРИРУЮЩИХ ГОРОК МАШИН ДЛЯ УБОРКИ И ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ И КОРНЕПЛОДОВ

Специальность 05.20.03 - эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре «Детали машин и ГТТМ», Московского государственного агроинженерного университета им. В.П.Горячкина, полевые и стендовые испытания проведены на Сонечногорской ЦМИС, физико-механические испытания проведены в НПО «Полимерсинтез», г.Владимир.

Официальные оппоненты: Д.т.н. проф., Колчин H.H.

К.т.н. Степанов М.В.

Ведущая организация- Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).

в «/-Р » часов на заседании диссертационного совета Д 120.12.04 при Московском государственном агроинженерном университете им. В.П.Горячкина по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д.58, МГАУ.

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор Ерохин М.Н. кандидат технических наук, Выскребенцев H.A.

Защита диссертации состоится

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университете.

Автореферат разослан«

1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор

H.A. Очковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При комбайновой уборке клубнеплодов одной из основных нерешенных проблем остается отделение почвенных примесей и камней от клубней. До 50% всех затрат труда при уборке клубней занимает ручней отбор примесей на переборочных столах комбайнов и сортировальных пунктов.

В лабораторных и полевых условиях опробовано много способов механического отделителя примесей. Однако, к настоящему времени еше не существует надежных и эффективных разделяющих рабочих органов. При машинной уборке клубнеплодов определенная часть клубней неизбежно повреждается в результате воздействия активных рабочих органов: подкапывающих, сепарирующих, транспортирующих и др.

Уменьшение повреждаемости и потерь, увеличение чистоты клубней в таре и доведение этих показателей до уровня агротребований достигается повышением технического уровня машин дая уборки и послеуборочной дороботки клубнеплодов. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что повышение технического уровня машин может быть достигнуто при условии широкого внедрения в конструкцию комбайнов специальных деталей го различных полимерных материалов. Это дает возможность снизить повреждаемость и по1ери клубней ь 2-Зраза, позволяв! уменьшить металоемкость машин, повысить эксплуатационную надежность, ресурс узлов и деталей, уменьшить количество запасных частей, а также улучшить условия труда персонала за счет снижения уровня шума и вибрации.

Цель работы- заключается в разработке и обосновании методов повышения надежности разделительных горок, при одновременном повышении эффективности выполнения их функциональных свойств и снижения повреждаемости клубней.

Объект исследования- пальчатая горка картофелеуборочных комбайнов.

Методика исследований. Процесс сепарации анализировался на основе взаимодействия касательных и нормальных сил возникающих при соударении клубня с пальцами горки. Методом скоростной киносъемки была произведена предварительная оценка образцов секций при взаимодействии с клубнем. Секционная горка из полиуретана, установленная на комбайне КПК-3, исследовалась стендовыми и полевыми испытаниями, предлагаемый для горки материал проходил физико-механическую оценку.

Научная новизна. На основе теоретического анализа установлена взаимосвязь рациональных значений кинематических и конструктивных параметров пальчатой горки и разработана методика выбора материала с учетом обеспечения допустимого уровня повреждений клубней при их уборке.

Практическая значимость. Сплошное полотно разделено на секции с возможностью установления на картофелеуборочный комбайн КПК-3, без использования дополнительных конструктивных деталей. Секции • изготовлены из нового материала- заливочного термопластичного полиуретана, одним из достоинств которого является возможность изменения модуля упругости в зависимости от сорта сепарируемого картофеля, изготовление без использования сложного оборудования в условиях небольших мастерских. Значительно повышается надежность и ремонтопригодность горки за счет конструкции секций, свободные пространства между секциями существенно улучшают качество отделения почвы от клубней, значительно уменьшается повреждаемость клубней за счет возможности выбора модуля упругости у материала горки. Предлагаемый материал горки отвечает требованиям по долговечности, морозостойкости, сопротивлению раздиру, износостойкосги, незалипаемости.

Реализация результатов исследования. Полученные результаты исследований прошли полевую и эксплуатационную проверку на Центральной машиноиспытательной станции (г.Солнечногорск) в 1997г., и рекомендованы к установлению на картофелеуборочных комбайнах.

Публикация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем диссертациониой работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 147страницах; содержит 9таблиц, 32рисунка, 5 приложений и использованной литературы, состоящей нз 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, необходимость ее разработки и изложены основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

В первой главе на основе анализа литературных источников обоснованы состояние вопроса и задачи исследования. Рассмотрены основные виды отделителей- пневматические, гидравлические, шольчатые, щеточные, переборочные, электромагнитные и проведен их сравнительный анализ. Показано, что из имеющихся способов отделителей наиболее распространенным является механический способ отделения на основе разницы значений сил трения между компонентами примесей. Далее проведен анализ научных исследований по совершенствованию механических сепарирующих органов. Установлено, что в исследованиях по

совершенствованию отделителей основное внимание уделяется теории процесса разделения клубнеплодов от вороха; отсутствуют исследования по

повышению надежности горок при работе на почвах с повышенной влажностью; практически нет рекомендаций по выбору материалов горок, а усовершенствование достигается за счет введения в конструкцию отделителей дополнительных деталей- встряхивателей, кулачков, ботвозатягивающих деталей, качающихся гребенок, задерживающих и сталкивающих валиков, отражающих решеток, винтовых шнеков и др., которые усложняют конструкцию деталей, делают отделители неремонтопригодными, снижают надежность комбайнов, повышают их себестоимость и создают дополнительные источники повреждений клубней.

Далее исследована надежность картофелеуборочной техники и представлены основные показатели для отдельных узлов и деталей комбайна, а также из полимерных материалов. Показано, что хотя полотно горки и имеет достаточно большую нароботку 94часа( без учета забивания полотна почвой), но трудоемкость устранения отказа, как правило, составляет не менее 42чел/часов. К тому же единственным методом устранения отказа является замена полотна. Проблема повышения надежности горки рассмотрена как задача повышения показателей ремонтопригодности секционных горок, предназначенных для выделения картофельного вороха мелких почвенных примесей, камней, комков почвы и мелких растительных остатков. Секционная пальчиковая горка устанавливается в технологической схеме картофелеуборочных машин или технологическом комплексе машин стационарных картофелесортировальных пунктов.

Исходя из этих анализов сформулированы основные цели и задачи исследования:

-провести анализ надежности разделительных горок и причин снижающих ее;

- провести анализ применения секционных горок для снижения механических повреждений клубней;

- обосновать параметры и возможность изготовления секционных горок из полимерных материалов;

- обосновать требования к полимерным материалам для изготовления секций горок;

- провести испытания секционных горок на износостойкость, на влияние климатических условий, на долговечность;

-дать технико-экономическую оценку предлагаемых решений по повышению надежности и работоспособности секционных разделительных горок и снижению механических повреждений клубней.

Во второй главе отражены результаты теоретических исследований по теме диссертации. Исследован процесс взаимодействия клубней с пальчиковой горкой с точки зрения неповреждаемости клубней.

Проблема повреждения клубней при их взаимодействии с рабочими органами картофелеуборочных машин и в особенности с пальчиковой горкой, недостаточно изучена. Работы В.А. Табачук, B.C. Митрофанова, М.Е. Мацепуро, Е.А. Глухих, Г.Д. Петрова, А.И. Бжезовского и др. посвящены в основном изучению отдельных видов механических повреждений клубней, возникающих при их прямом ударе. В действительности, как показывают наблюдения, клубни в процессе машинной уборки перемещаются при механическом воздействии на них рабочих органов, вызывающих различные виды повреждений.

Несмотря на большое разнообразие видов механических повреждений клубней повреждения, возникающие при взаимодействии клубня с пальчиковой поверхностью горки, можно свести к двум группам. К первой группе относятся повреждения, возникающие в результате действия сил трения при скольжении клубня относительно поверхности горки. Ко второй

группе - от действия ударных силовых импульсов. В первом случае наиболее типичным видом повреждений являются деформация наружного покрова клубней - сдвиг кожуры, во втором- деформация сжатия его мякоти.

частности, процесс взаимодействия клубня с пальцами рассматривается по классической теории удара частично упругого тела с другими телами, в нашем случае с однородным стержнем.

Процесс соударения клубня с пальчатой горкой достаточно подробно исследован в работах М.Н Ерохина, Н.И. Верещагина,H.A. Выскребенцева.

Из условий неповреждаемосги мякоти клубня в области контакта при прямом ударе, авторами получено, предельное значение вертикальной составляющей скорости соударения, которая имеет вид:

соответственно клубня и материала горки;

Е1, Е2- модуль упругости клубня и материала горки;

1 - размер клубня в направлении действия нормальной силы

Ь - толщина амортизирующего покрытия или высота пальчиков горки;

7Д 2 "коэффициент восстановления при соударении клубня с другим

телом(пальчиковой горкой);

8„-номинальная площадь контакта.

Для теоретических расчетов принимается ряд допущений. В

где:

допустимое напряжение сжатия

Решая неравенство, относительно модуля упругости клубня, получена зависимость для выбора модуля упругости материала рабочего органа пальчатой горки:

Е <____КЛ^Л .

2 дОм1-^)-^!]/'

Это неравенство позволяет устанавливать взаимосвязь рациональных значений кинематических и конструктивных параметров пальчатых горок. Для данного неравенства нами составлен алгоритм и программа для ЭВМ. Варьируя входящими в неравенство параметрами получен необходимый модуля упругости материала горки для различных сортов картофеля с учетом его неповреждаемости. По результатам расчетов программа позволяет также строить графики зависимости модуля упругости материала горки от входящих в неравенство параметров: скорости движения, толщины амортизирующего слоя.

На рисунке1 приведен график зависимости модуля упругости материала горки от модуля упругости клубня, для сортов «Лорх», «Невский» и «Лайндота» полученная решением неравенства на ЭВМ с помощью составленного алгоритма.

Рис.1 График зависимости модуля упругости материала горки от модуля упругости кчубпя.

Например, для сорта «Лорх» (наиболее распространенного в Московской области) с модулем упругости в пределах 0,25-0,5кг/м2 оптимальным является материал с интервалом модуля упругости 1,6-1,7кг/м2.

Наиболее подходящим материалом позволяющим управлять физико-механическими свойствами при изготовлении, являются полиуретан, резина, пластмассы и т.д. Для оптимального выбора материала горки наиболее соответствующего агротехническим требованиям эксплуатации проведен анализ материалов а их свойств а также возможность их применения в сельскохозяйственной технике. Анализ показал, что условиям, которые предъявляются требованиями надежности, ремонтопригодности, а также климатическим и агротехническим требованиям наиболее удовлетворяет полиуретан, который отличается высокой теплоизоляционной способностью, широким интервалом рабочих температур, простотой получения, стойкостью к коррозии, воздействию атмосферных факторов, химических сред, хорошими антиадгезионными характеристиками. В процессе эксплуатации полиуретаны незначительно подвергаются старению, что позволяет сохранять свои свойства на требуемом уровне. Благодаря наличию технологической корки, полиуретаны имеют малое водопоглощение. Хотя исходные компоненты полиуретанов и токсичны, но после завершения процесса вспенивания и отвердения он утрачивает это свойство, благодаря чему полиуретан широко применяется в пищевой промышленности.

В конце второй главы исследована теория адгезии и возможности снижения залипания рабочей поверхности сепарирующих горок. Проанализирован механизм прилипания почвы к рабочим органам по трем основным теориям адгезии- адсорбционно-молекулярной, электрической и диффузионной. Показано, что в процессе залипания рабочих органов горок имеют место все три теории, однако в каждом конкретном случае может преобладать тот или иной вид взаимодействия. Рассмотрено так же влияние сил трения на липкость почвы и сделан вывод, что интенсивность

прилипания почвы к, рабочим органам сельскохозяйственных машин зависит от таких факторов как, материал и состояние поверхности рабочего органа, структуры, физико-химического состояния и влажности почвы. Теоретически и экспериментально доказано [38], что галогеносодержащие вещества повышают антиадгезионные и диэлектрические свойства. Обоснованы рекомендации по применению новых материалов полиуретанов ой группы с высокими антиадгезионными свойствами, а также конструкционная разработка в виде секционной пальчатой горки, которые оказывают дополнительный эффект по снижению залипаемости рабочих поверхностей горок..

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований.

Физико -механические исследования проводились на Владимирском НПО «Полимерсинтез». Исследования проводились по принятым ГОСТ-ам. Показатели, по которым проводились физико-механические исследования, выбраны на основании технических требований, предъявляемых к свойствам материалов применяемых в сельскохозяйственном машиностроении.

Горка подвергается влиянию и воздействию различных сил, возникающих в процессе взаимодействия горки с поступающим на нее ворохом и примесями, а также различных сил трения, растяжения, сдвига возникающих в процессе взаимодействия рабочих органов (ведущий и ведомый валы, барабан, и др.) друг с другом. Были проведены исследования физико-механических свойств на предел прочности при разрыве, относительное удлинение, сопротивление раздиру, морозостойкость, так как эти свойства оказывают наибольшее влияние на надежность и работоспособность горки. Исследования на твердость, модуль упругости, эластичность проводились с целью выявления свойств материала с точки зрения неповреждаемости клубней. С целью получения необходимых оснований для рекомендаций по применению, проведен сравнительный анализ

показателей физико-механических свойств полиуретанов с аналогичными показателями серийной резины (материала сплошной горки) и на их соответствие техническим требованиям.

Исследования материала горки на затипаемость проведены по разработанной методике МГАУ ми. В.П. Горячкина, основанной на принципе и методике Качинского H.A.

Завершает вторую главу описание методики полевых, стендовых и эксплуатационных испытаний. Данные испытания проведены на опытном хозяйстве МИС г. Солнечногорска по утвержденной системе.

С целью проверки теоретических расчетов были проведены стендовые испытания секций горок с различной твердостью. Объектом стендовых исследований являлись элементы секционных пальчатых горок из различных материалов. За базу сравнения брали сброс клубня на металлическую плиту. При лабораторных исследованиях определяли деформацию пальчиков при ударном воздействии на них эталонного клубня.

Оценку амортизирующих свойств различных вариантов пальчиковых горок проводили по методике, разработанной Верщагиным Н.И., через коэффициент смягчения удара.

Который рассчитывали по формуле:

к =(4+4.К,

где dk- деформация эталонного клубня в зоне контакта; dm- деформация эталонного материала; dj- деформация исследуемого материала в зоне контакта; tj э- длительность стадии сжатия при соударении эталонного клубня с эталонным материалом; ti ¡-длительность стадии сжатия при соударении эталонного клубня с исследуемым материалом.

За эталон принят радиоклубень, по физико-механическим свойствам близким к реальному. За эталонный материал принята массивная металлическая плита, на которую при лабораторных исследованиях крепили

фрагменты пальчиковых горок. При этом деформацию плиты в месте контакта с клубнем при соударении принимали равной нулю.

Полевые и эксплуатационные испытания горки проведены в период уборки картофеля на полях Опытного хозяйства ЦМИС. Горка была установлена на комбайне КПК-2-1, вместо малой горки ботвоудаляющего устройства. Картофель сорта «Невский». Влажность почвы от 14,5 до 17,9%. По испытаниям определяли: потери клубней; повреждение клубней; забивание пальчиковой поверхности.

В четвертой главе проведеп анализ результатов исследований. Анализ физико-механических свойств композиций из полимерных материалов для инженерных расчетов производился методом сравнения с имеющимися материалами или же с показателями технических требований. Технические требования к физико-механическим свойствам в таблице2 приведены для резиновых штифтовых элементов секционных горок. По показателям прочность при растяжении, сопротивление раздиру, полезная упругость, определяющим являлся нижний предел, по остальным показателям - верхний. Так из таблицы видно, что такие показатели как прочность при растяжении, сопротивление раздиру, истираемость, низкие показатели которых уменьшают надежность горки, имеют достаточно высокие показатели, что делают материал горки более прочным, устойчивым к различным режущим телам и предметам попадающим на горку вместе с ворохом, устойчивым к трению -вследствие чего и возникает истирание пальцев.

Показатель прочности при растяжении по техническими требованиям должен находиться в пределах 6,5-7,8 усл. ед., при этом у материала с твердостью 75 усл.ед. стендовыми испытаниями рекомендованный как оптимальный, этот показатель составляет 8,8. Однако максимальное значение этого свойства материала в случае с пальчатой горкой не может рассматриваться как отрицательное качество, так как определяющим, как уже сказано выше является нижний предел. Исследования предлагаемого

материала горки на морозостойкость и теплостойкость показали, что заливочный эластичный полиуретан сохраняет свою работоспособность в температурном интервале от -40°С до 192° С, что делает выбранный материал абсолютно пригодным для эксплуатации, а также хранения комбайна в климатической зоне Московской области, а также Центрального

нечерназемъя, где температурный интервал варьирует в пределах -35°С ... 45°С.

Таблица2. Результаты фтнко-механических испытании

Твердость по ГОСТ 263-75 65 усл.ед 70 усл.ед 75 усл.ед 83 усл.ед По технич. требовани ям

Прочность при растяжении кгс/см" (МПа) 7,3 7,2 8,8 14 6,5-7,8

Относительное удлинение при разрыве % 580 520 380 380 460-600

Условное напряжение при 100%удлинени,МПа 2,9 3,7 3,8 6,4 3,0-6,5

Остаточное удлинение после разрыве % 22 22 12 12 20-32

Условное напряжение при 300%удлинешш,1МПа 4,9 5,7 7,4 11,4 5,5-12

Сопротивление разднру кгс/см 30 45 41 59 24-32

Условное напряжение при 200%удлинепи,МПа 4,0 4,9 5,9 8,6 4,0-10,0

Истираемость смэ/кВт.ч 3,4x104 3,0x10 4 2,7x10 4 1,7x10 4 (3,0-4,5) 10" 4

Потеря массы за 200 циклов,% 2,6 2,3 2 1,4 2,5-3,5

Полезная упругость, % 89 86 82 81 76-90

Анализ результатов испытаний на тепловое и термовлажное старение

показал также, что изменение исходных значений по отношению к полученным конечным результатам не превышает 40%, в то время как в соответствии с ОСТ 6-05-473-84, выдержавшим испытание т.е. сохранившим свои свойства после старения считается материал разница между исходным и конечным значением которого не превышают 50%.

По результатам испытаний построена термомеханическая кривая для заливочного эластичного полиуретана. Термомеханическая кривая показывает температуры начала и конца релаксационных переходов из рабочего состояния в нерабочее и наоборот, и зависит от молекулярной структуры материала.

Результаты испытания на залипаемость, показал, что прилипаемость почвы к полиуретанам значительно ниже, чем к резине КР-29. Даже при влажности почвы 34..36%, заметен значительный эффект снижения прилипаемости. Это происходит благодаря технологической корке, с высокими антиадгезионными свойствами, на поверхности полиуретановых образцов, что является следствием особой молекулярной структуры полимерных образований.

По результатам физико-механических исследований установлено, что заливочный термопластичный полиуретан превосходит резину -

используемую для сплошной серийной пальчатой горки и может быть рекомендован для изготовления секционной пальчатой горки.

Анализ конструкционных особенностей горок, показал что для удовлетворения требованиям надежности и ремонтопригодности, наиболее целесообразной является конструкция в виде секционной пальчатой горки. В отличие от серийных пальчиковых горок с расположением пальчиков на сплошном прорезиненном полотне, конструкция секционной горки включает ведущий вал (1) с ремнями (2) (Рис2), металлические коробчатые планки (6), пальчиковые секции (3), отлитые из полиуретана, тяговые ремни и натяжной вал (5). Секция состоит из основания с пазами, на котором расположены в шахматном порядке два ряда пальчиков: овальной формы (7) и в форме лопатки (8). Секция своими пазами вставляется в коробчатую планку с просветами между секциями 20мм.

Такая конструкция горки обеспечивает высокую ремонтопригодность за счет легкости изготовления (даже в условиях индивидуальных фермерских хозяйств) и быстрой замены секций при их изнашивании. Просветы между секциями обеспечивают дополнительный эффект по незалипаемости. Секционная горка легко устанавливается в технологической схеме картофелеуборочных машин (комбайн, копатель-погрузчик), а также может

устанавливаться в технологическом комплексе машин стационарных картофелесортировальных пунктов.

1 2

м

_п__а .а. —П —л

—о—

—о-----о

о —о--о—

I I

450

/

Рис.2 Схема конструкции секционной пальчатой горки. Анализ результатов стендовых испытаний показал, что секции изготовленные из полиуретана с твердостью 75усл. ед. по Шору, имеют высокую стойкость к динамическим нагрузкам (РисЗ), что увеличивает срок службы в 1,5...2 раза по отношению к серийной горке. Из результатов стендовых испытаний следует, что при скоростях соударения от2до4м/с самые высокие амортизирующие свойства получены у пальчиковой секции третьего варианта с модулем упругости 75усл.ед. по Шору: максимальная нагрузка снижается в 2...2,6 раза по сравнению с металлической плитой, которая была принята за эталонный материал сравнения, а другие варианты секций имеют близкие между собой амортизирующие свойства. Однако у всех пяти вариантов характер изменения коэффициента смягчения удара одинаков, до скорости 3м/с коэффициент снижается, а при скорости 3м/с- возрастает (Рис.4). Это связано с переходом от деформации сжатия пальчиков, к деформации изгиба. Как показали исследования смягчение нагрузки на клубень, а следовательно

и уменьшение деформации-повреждения, происходит за счет увеличения длительности соударения. Дальнейшие испытания показали, что третий вариант пальчиковой секции (с модулем упругости 75усл.ед. по Шору), имеет самый длительный процесс соударения в сравнении с другими вариантами(Рис.5),

Рис.3. График зависимости коэффициента снижения нагрузки на клубень от скорости соударения с различными вариантами пальчатых горок.

1 2 3 4 5

Виршты

Рис.4. Длительность соударения эталонного клубня с различными вариантами пальчатых горок.

а величина деформации клубня в зоне контакта получена равным при сбросе на 1,2 и 3 варианте, и в два раза меньше, чем при сбросе на секции четвертого и пятого вариантов (график4). Следовательно полиуретановая секция с модулем упругости 75усл.ед. по Шору, имеют более эластичные свойства и обладает наибольшим смягчающим свойством соударения клубня и пальцев секций и подходит для изготовления горка для полевых и эксплуатационных испытаний.

4

3 2 1

\'с=2...4м/с

1

, .4 .

I ОС. р.<С- г'. |С-

Рис.5 Деформация клубня при соударении с вариантами пальчиковой горки.

Эксплуатационне испытания показали установлено, что по качеству выполнения технологического процесса экспериментальная горка превосходит серийную: потери клубней, выносимых за пределы комбайна, составили -0,1т/га, против -0,8т/га у серийной горки; повреждения на 0,4т/'га ниже, чем у серийной.

Забивание пальчиковой поверхности растительными остатками и почвой, налипание почвы на горку в условиях уборки этого года (на среднеуглинистых почвах, влажностью-до 25%) не наблюдалось.

В условиях эксплуатации при общей наработке 240га поломок и неисправностей не наблюдалось. При уборке картофеля с влажностью почвы

до 25% к концу уборки ни забиваний, ни налипания почвы на пальчиковую поверхность горки не отмечено. На серийной горке произошло отслоение полотна. Имитация замены секции пальчикового полотна показала, что на замену одной секции другой требуется около 1 минуты, при участии одного механизатора. Серийная горка ремонту не подлежит.

В пятой главе по результатам проведенных испытаний, проведена оценка экономической эффективности применения секционных пальчатых горок из термопластичного полиуретана. Экономический эффект применения секционных пальчатых горок рассчитан по ценам хозяйств Московской области и составляет 1518,7усл. единиц на один комбайн.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных комбайнов и сортировальных линий показал, что в них широко применяются сепарирующие горки с пальчиковыми полотнами. Однако они имеют ряд существенных недостатков, в частности, они обладают низкой надежностью- простой от отказов составляет 40%, а трудозатраты 24%. После 20 минут работы на почвах с влажностью более 25% пальчатая горка превращается в сплошное полотно и теряет свою разделительную способность. После небольшого срока работы начинается отслоение резинового полотна, устранение которого требует замены горки. Кроме того резинопальчатая поверхность обладает низкой износостойкостью и высокой истираемостью, что существенно снижает сепарирующую способность горки. Поэтому в данной работе поставлены нучно-технические и технологические вопросы по решению важной прикладной задачи-повышешпо работоспособности сепарирующих пальчатых горок. На основе условия неповреждаемости клубней проведен анализ действия нормальных и

касательных сил во время взаимодействия клубня с пальчиковой поверхностью и получено неравенство для определения модуля упругости материала горки.

2.В результате теоретического анализа установлены общие взаимосвязи между кинематическими и конструктивными параметрами пальчиковых горок. Разработана программа для расчета необходимого модуля упругости материала секций Е2 горок в зависимости от модуля упругости клубней Е] и получены графические зависимости при различных значениях.

3. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований с целью повышения эксплуатационных показателей горок и снижения повреждения клубней предложена секционная конструкция горки, которая обеспечивает повышенную сепарацию почвенных примесей и растительных остатков, при допустимом уровне повреждения клубней, и проста в изготовлении.

4.Полиуретановые эластомеры, рекомендуемые дою изготовления секций горок, обладают высокой прочностью, высоким сопротивлением истиранию, стойкостью к действию различных растворителей, масел, топлив, к атмосферным воздействиям, а также водостойкостью, погодостойкостью, стойкостью к кислороду и озону, а также к микроорганизмам и плесени. Горки с полиуретановым полотном имеют высокие физико-механические показатели, которые отвечают агротехническим требованиям эксплуатации: износостойкость, морозостойкость, долговечность, полезная упругость, сопротивление раздиру.

5.Липкость глинистой почвы к полиуретановым образцам в 3...3,5раза ниже чем к образцам из серийной резины и в 1,5...2раза ниже, чем к образцам из резин с добавками фторированного спирта.

6.В результате эксплуатационных испытаний установлено, что по качеству выполнения технологического процесса разработанная горка превосходит серийную: потери клубней, выносимых за пределы комбайна,

составили-10% с каждой тонны убранного гектара, нротнв-40% у серийной горки; повреждения на 10,4% ниже, чем у серийной. Забивание пальчиковой поверхности растительными остатками и почвой, налипание почвы на горку в условиях эксплуатации на среднеуглинистых почвах влажностью-25% не наблюдалось.

7.Секционные горки отличаются высокой надежностью и большой ремонтопригодностью: при общей нароботке 300га за два уборочных сезона 1997 и 1998года, поломок и неисправностей не наблюдалось. Замены одной секции пальчикового полотна на другую показала, что для этой операции требуется около 1 минуты, при участии одного механизатора. Серийная горка ремонту не подлежит.

8.Экономический эффект от применения секционной пальчатой горки с учетом годовой наработки составил 1518,7усл.ед. на один комбайн.

9. В целом, в результате проведенной работы, на основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технические и разработаны технологические параметры пальчатых горок, что обеспечило решение важной прикладной задачи- повышения сепарирующей способности и надежности работы картофелеуборочного комбайна.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. М.Н. Ерохин, H.A. Выскребенцев, Г.Л.Нерсисян. Секционная пальчиковая горка./Новая техника и оборудование./М.1998//С.33.

2. Ерохин М.Н.,Выскребенцев H.A. Нерсисян Г Л. Ананьев В.К., Окунева А.Г., Невская Л.М. Применение полиуретановых композиций для рабочих элементов сельскохозяйственной техники, на примере секционной пальчатой горки картофелеуборочного комбайна КПК-3./ Труды Полимерсинтез-98.

3. М.Н. Ерохин, Н.А.Выскрибенцев, Г.Л. Нерсисян. Повышение надежности и ремонтопригодности сепарирующих горок корнеклубнеуборочных машин./

Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти академика В.П.Горячкина//Доклады и тезисы//М 1998.

4. Нерсисян Г.Л. Теоретическое обоснование взаимосвязи рациональных значений кинематических и конструктивных параметров пальчатых горок..' Изд-во «Социальный сервис»//М.1998.

5. В.В.Зубков, М.И.Горшков, Н.И. Верещагин, Л.М. Панфилов, Г.Л.Нерсисян. Отчет №13-48-97 (9130066) по испытанию секционной пальчиковой горки к картофелеуборочным машинам./ ЦМИС//Солнечногорск1997.

Ротапринт Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина, 127550, Москва, Тимирязевская, 58

Подписано в печать // И Бумага писчая Заказ N2 84

Формат 60x89 Усл.-печ.л. Тираж /сс

6/: ff-f/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. П. ГОРЯЧКИНА

На правах рукописи

НЕРСИСЯН ГРАЧЬЯ ЛЕВОНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СЕПАРИРУЮЩИХ ГОРОК МАШИН ДЛЯ УБОРКИ И ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ И КОРНЕПЛОДОВ

Специальность 05.20. 03-эксплуатация, восстановление

и ремонт сельскохозяйственной

техники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор ЕРОХИН М.Н. кандидат технических наук Выскребенцев H.A.

МОСКВА-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение______________________________________4

Глава! Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Общие сведения о сепарирующих органах машин для

уборки и послеуборочной доработки корнеклубнеплодов.______7

1.2 Анализ исследований по

совершенствованию сепарирующих органов.________________21

1.3 Анализ исследований по оценке уровня надежности и

ремонтопригодоности сепарирующих горок.______________29

1.4 Анализ конструкционных особенностей горок для

повышения качества сепарации._____________________34

1.4 Цель и задачи исследования._______________________44

Глава II. Теоретические обоснования основных параметров

сепарирующих горок

2.1 Взаимодействие клубня картофеля с пальчатой горкой.________45

2.2 Обоснование выбора полимерных материалов для

рабочих поверхностей сепарирующих горок._______________55

2.3 Анализ работоспособности сепарирующих горок.____________63

Глава III. Методика экспериментальных исследований

3.1 Методика оценки свойств материала секций горок___________70

3.2 Методика сравнительных исследований физико -

механических свойств.____________________________72

3.3 Методика исследования взаимодействия почвы с

материалом горки.______________________________79

3.4 Методика стендовых испытаний. 81

3.5 Методика полевых и эксплуатационных испытаний.

89

Глава IV. Анализ результатов исследований

4.1 Анализ результатов по выбору материала и обоснованию конструкции

пальчатой горки с целью повышения ее ремонтопригодности_____93

4.2 Результаты сравнительных исследований физико-механических свойств материала горок и их анализ.____________________100

4.3 Результаты исследований липкости почвы к материалу горки

и их анализ.__________________________________109

4.4 Анализ результатов стендовых испытаний._________________112

4.5 Анализ результатов полевых и эксплуатационных

испытаний.___________________________________117

Глава V. Технико-экономическое обоснование эффективности производства и применения секционных пальчатых

горок_________________________________122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ____________________________126

ПРИЛОЖЕНИЕ__________________________________129

ЛИТЕРАТУРА 143

ВВЕДЕНИЕ

Уборка картофеля - один из наиболее трудоемких процессов в длинной цепи сельскохозяйственного производства. Уборка картофеля, корнеклубнеплодов и овощей в оптимальные агротехнические сроки с минимальными трудовыми затратами невозможна без использования высокопроизводительных уборочных машин и сортировальных пунктов.

При комбайновой уборке клубнеплодов одной из основных нерешенных проблем остается отделение почвенных примесей и камней от клубней. До 50% всех затрат труда при уборке клубней занимает ручной отбор примесей на переборочных столах комбайнов и сортировальных пунктов.

В лабораторных и полевых условиях опробовано много способов механического отделения примесей. Однако к настоящему времени еще не существует надежных и эффективных разделяющих рабочих органов, поэтому внимание отечественных и зарубежных исследователей к этой проблеме не уменьшается.

В настоящее время отделение примесей от клубней производится двумя основными способами:

вручную на переборочных столах; механическими устройствами (отделителями).

Другой способ очистки - автоматическими устройствами, производящими индивидуальный контроль каждого тела. Однако разделение с помощью автоматических устройств практически еще продолжает находиться в стадии экспериментальных исследований. Особенностью автоматических отделителей, сдерживающей их практическое использование, является необ-

ходимость предварительного распределения вороха с целью поштучного контроля каждого тела.

Технология послеуборочной очистки клубней от вороха и другой некондиционной продукции ручным способом существенно увеличивает затраты по всему комплексу работ и требует задействования большого числа рабочих, что в условиях фермерских хозяйств является весьма проблематичным и нерентабельным.

Механизированный способ послеуборочной обработки клубнеплодов является на сегодняшний день наиболее оптимальным. Механические сепарирующие устройства основаны на использовании различия разделяемых тел: по удельному весу; аэродинамическим свойствам (парусности); твердости; трению скольжения и качения; упругости и т.п. Используются также и комбинации отдельных свойств. При машинной уборке клубнеплодов определенная часть клубней неизбежно повреждается в результате воздействия активных рабочих органов: подкапывающих, сепарирующих и транспортирующих,- а также вследствие других причин.

Уменьшение повреждаемости и потерь, увеличение чистоты клубней в таре и доведение этих показателей до уровня агротребований достигается повышением технического уровня машин для уборки и послеуборочной доработки клубнеплодов. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что повышение технического уровня машин может быть достигнуто при условии широкого внедрения в конструкцию комбайнов специальных резиновых деталей, обрезинивания металлических прутков сепарирующих элеваторов, применения резиновых щитков, лопастей, пальчатых или штифтовых горок.

Применение в конструкциях клубнеуборочных машин резинотехнических изделий, по информации немецкой фирмы " Gummi Jager"

(" Гумми Егер"), позволяет снизить повреждаемость и потери клубней в 2-3 раза. Широкое внедрение деталей из резины и полимерных материалов в машинах для уборки и послеуборочной доработки клубней и овощей позволяет уменьшить металлоемкость и вес машин, повысить их эксплуатационную надежность, ресурс узлов и деталей, уменьшить количество запасных частей, а также улучшить условия труда обслуживающего персонала за счет снижения уровня шума и вибраций.

В настоящей работе рассматривается возможность повышения надежности сепарирующей горки за счет использования вместо сплошных бесконечных полотен, полотна из отдельных секций, а также изготовления этих секций из современных полимерных материалов.

Работа выполнена на кафедре деталей машин Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина.

Стендовые и эксплуатационные исследования проведены на Солнечногорской ЦМИС. Физико-механические исследования проведены на НПО «Полимерсинтез», г. Владимир.

Глава I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие сведения о сепарирующих органах машин для уборки и обработки корнеклубнеплодов

Процесс отделения клубней от примесей и некондиционной продукции делится на два основных способа:

- дискретный;

- поточный.

Каждый из этих способов и соответствующие этим способам устройства действуют на основании тех или иных физико-механических свойств клубней или примесей. К наиболее важным физико-механическим свойствам, которые могут быть использованы для разделения вороха и относительно хорошо исследованы, можно отнести: геометрический размер, массу, коэффициент формы, коэффициенты трения, коэффициент восстановления скорости при ударе, аэродинамические, гидродинамические и другие свойства компонентов.

К дискретному способу очистки относится ручная переборка, при которой рабочие-переборщики вручную, на переборочных столах, выбирают посторонние примеси.

Существующие переборочные столы по конструкции можно разделить на дисковые, грохотные, вибромеханические и бесконечные транспортеры.

Переборочные столы(рис1.1.) могут быть также горизонтальными и наклонными; многокаскадными, т.е. имеющими по длине несколько ступе

±±_

3

5)

1 —— 1

ь

1 ... — -II

B)

ч

/ f

un в)

í-p

o-

ШШУШЩ

r

/

-ТТЛ

г)

Рис. 1.1 Схемы переборочных столов:

а-горизонтальныи односекционныи; б-трехсекционныи; в-трехсекционныи с независимыми секциями; г- трехкаскадный с общим полотном приемными воронками; д-трехкаскадный с разделенными полотнами; е- с движущимися

роликами; ж-комбинированный

нек или состоящими из нескольких рабочих поверхностей: односекцион-ными и многосекционными, т.е. имеющими по ширине несколько секций.

Следует отметить, что производительность переборочных столов зачастую определяется и ограничивается производительностью труда рабочих. Большие затраты людских ресурсов, сильная запыленность, шум, быстрая утомляемость рабочих резко снижают производительность переборочных столов, что делает их нерентабельными, следствием чего является вытеснение этих столов и ручного труда с производства максимально механизированными и более усовершенствованными разделительными устройствами.

Поточный метод отделения клубней от примесей условно можно разделить на два направления.

Первое направление включает в себя устройства и рабочие органы, действующие на основании различия физических свойств разделяемых компонентов, таких, как плотность, цвет, удельный вес, диэлектрическая проницаемость, влажность и др.

Второе направление включает в себя разделительные устройства и рабочие органы на основе механических способов отделения клубней от примесей. При этом учитывается форма и упругость разделяемых тел, коэффициент трения, сопротивление перекатыванию и др. Механические способы отделения клубней от примесей отличаются простотой, но не позволяют полностью выделить клубни из общей массы. Для повышения эффективности работы таких устройств используют различные сочетания свойств разделяемых тел.

На основании этих методов, а также сочетаний свойств разделяемых компонентов создано большое количество рабочих органов, в том числе пневматического, автоматического, гидравлического и механического принципа действия.

Одним из эффективных способов отделения почвенных комков от клубней по удельному весу является разделение в почвенной суспензии (рис1.2„), впервые примененный в английском комбайне "Шотболт" [2]. Этот способ относится к гидравлическому принципу действия.

Суспензия представляет собой среду, состоящую из твердой и жидкой фаз. Жидкой фазой была вода, а твердой-почва и песок. Почвенные комки, попадая в суспензию, удельный вес которой имел промежуточное значение между удельными весами комков и клубней, тонули, а клубни всплывали.

Применение описанного способа связано с большим расходом воды и необходимостью последующей просушки клубней. Кроме того, на мобильной клубнеуборочной машине трудно обеспечить достаточное количество воды и автоматическое поддержание удельного веса суспензии. Из-за вышеназванных причин этот способ не нашел в настоящее время применения в практике.

Представляет интерес пневмомеханический способ отделения клубней от вороха и других примесей (рис1.3), при котором для разделения используется поток воздуха.

Однако устройства, использующие поток воздуха в качестве отделителя, характеризуются значительными энергетическими затратами. Качество их работы находится на невысоком уровне и позволяет получить лишь частичное разделение.

На разделение влияет форма клубней: плоские клубни поднимаются быстрее, чем круглые. Этот способ более эффективен для отделения камней, чем почвенных комков.

Рис1.2 Отделитель в жидкой среде:

1-бак; 2-вентилятор предварительного обсушивания; 3-выносной транспортер; 4-прутковый транспортер; 5-скребковый транспортер для выноса осадков; 6-винт-мешалка

л а

о а

а о

Ж **

/3 /2

Рис. 1.3 Пневмомеханический отделитель:

1-подкапывающий орган; 2-транспортер; 3-балоны-комкодавители; 5-разделенная ботва; 7-транспортер для выноса ботвы; 8-вентилятор для

создания потока воздуха

На основании различной степени твердости комков и клубней, созданы игольчатые отделители (рис1.4).Принцип отделения состоит в том, что разделяемые компоненты имеют различные силы сцепления с иглами сепаратора.

По данным лабораторных исследований, проведенных в институте Потсдам-Борним, потери клубней при отделении игольчатыми отделителями составляют 8-10%. Недостаток игольчатых отделителей в том, что клубни получают (хотя и незначительные), искусственные механические повреждения. В связи с этим указанный способ может быть использован лишь при уборке кормового и технического картофеля, предназначенного для быстрой реализации.

Способность к поглощению и отражению электромагнитного излучения, а также различия в электрических свойствах разделяемых компонентов заложены в основе автоматических методов отделения клубней от примесей.

Отличительной особенностью автоматических электронных разделительных устройств (рис1.5.) является необходимость в поштучном контроле каждого тела. Эта особенность, во-первых, ограничивает производительность сепарирующих рабочих органов и, во-вторых, требует применения специальных механизмов: дозаторов, обеспечивающих поштучную подачу (в один ряд и слой) клубней и примесей, и исполнительных механизмов различного рода сталкивающих устройств, направляющих клапанов и пальцев и т.д.

Существуют также другие способы и устройства, применяемые для разделения клубней от примесей с использованием средств автоматики -отделители, использующие различия в звуковых импульсах при соударении клубней и примесей с упругой поверхностью; радиометрические и рентге

- • % .. • . г*- .

* • 7л

» •>

Рис. 1.4 Игольчатый отделитель К-721 (ГДР):

1-транспортер выделенных примесей; 2-прутковые барабаны; 3-губчатый барабан; 4-игольчатый барабан; 5-съемник;

7-электродвинатель

ч

\

'ГЭ Р)| 1

У

Рис. 1.5 Вариант фотоэлектронного отделителя клубней картофеля

от комков почвы и камней:

1-транспортер; 2-подающее устройство; 3-источники излучения; 4-оптико-элктронный датчик с фильтрами; 5-электронный блок распознавания; 6,7-транспортеры; 8-исполнительный механизм

новские отделители, в основе работы которых лежит зависимость поглощения ионизирующего излучения от состава поглотителя; фотоэлектрические отделители, использующие относительную величину коэффициентов отражения 1 белого света поверхностью клубней.

Сравнительный анализ устройств по очистке клубней от вороха и других примесей показывает, что значительное число разделяющих устройств, установленных на картофелеуборочных комбайнах, основано на применении способа разделения по принципу использования разницы в значениях коэффициента трения. Это объясняется простотой конструкции таких устройств и тем, что они не повреждают клубни.

Известны несколько типов устройств, которые можно применять для отделения клубней от комков и других примесей, использующих разницу в значениях коэффициента трения.

Достаточно успешные результаты обеспечивает рабочий орган с верхней загрузкой материала, состоящий из щеточного барабана и направляющей заслонки (щитка), называющийся щеточным сепаратором.

При правильной регулировке щеточное устройство является довольно эффективным рабочим органом для отделения камней. Испытание этого устройства на отделение комков почвы показали, что в связи с относительно небольшой разницей в удельном и абсолютном весе комков и клубней их разделение происходит менее эффективно.

Кроме того, такое устройство очень чувствительно к растительным примесям, которые наматываются на щетки, забивают их и препятствуют проходу материала.

Рабочие поверхности фрикционных сепараторов (рис1.6(б)) могут иметь плоскую, цилиндрическую, конусную, винтовую форму. Эти поверхности могут быть подвижными и неподвижными.

Частицы. лв * шяЬы I <?12Д.1;

4

, Чосаь

"Л г /Ш/

Xй

$)ащцы ъО \ пот

Рис.1.6 Устройство для отделения от комков и других примесей с использованием разницы в значениях коэффициента трения:

а- скатная горка; б- фрикционный барабан; в- продольная горка;

г- поперечная горка

Рабочим органом скатной горки (рис1.6(а)) является неподвижная плоскость, наклоненная к горизонту под большим углом трения. Исследования показывают, что округлые тела (клубни) с меньшим коэффициентом трения падают дальше, а шероховатые и плоские (комки почвы и камни), имеющие больший коэффициент трения, ближе. Однако испытания такого рабочего органа на разделении клубней и комков дали неудовлетворительные результаты, так как дальность полета их мало различалась. Кроме того, длинные скатные горки плохо компонуются в машине.

Подобным же образом работает винтовой сепаратор-змейка, широко применяемый при очистке зерна. Благодаря большой длине наклонной поверхности в винтовом сепараторе достигается большая разница в скоростях разделяемых компонентов и, следовательно, лучшее их разделение. Однако такой сепаратор гром