автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа

На правах рукописи

005042742

Ульянов Максим Владимирович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАЛКООБРАЗОВАТЕЛЯ ПЛОДОВ БАХЧЕВЫХ КУЛЬТУР АКТИВНОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

1 о • 1- —-о

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2012

005042742

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Цепляев Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Детали машин, подъемно-транспортные машины и сопротивление материалов» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» имени Н.И. Вавилова Павлов Павел Иванович; кандидат технических наук, с.н.с. лаборатории «Механизации бахчеводства и овощеводства» ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» Мартынов Иван Сергеевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 21 мая 2012 года в 10 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « года

и размещен на официальном интернет-сайте ВАК РФ.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор

А.И.Ряднов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При возделывании бахчевых культур уборка плодов является самой затратной технологической операцией - на нее приходится до 40 % всех затрат.

Уровень механизации в крестьянских и фермерских хозяйствах, занимающихся производством бахчевых, составляет всего около 15 %. Внедрение передовых технологий на базе комплексной механизации процесса уборки урожая позволяет не только облегчить труд бахчеводов, но и поднять его производительность и снизить себестоимость продукции.

Имеющиеся технические средства, предназначенные для уборки плодов бахчевых культур, из-за высокой их стоимости не находят широкого применения среди мелких производителей. Разработанные в нашей стране и за рубежом средства механизации уборки бахчевых имеют низкую производительность и по показателям повреждаемости плодов не отвечают агротребованинм.

В связи с этим, остаётся актуальной проблема механизации уборки плодов бахчевых культур преимущественно некруглой формы и создания конструкции вапкообразо вателя активного типа, способного производить их уборку с минимальным травмированием. Решение данной проблемы будет способствовать улучшению экономических показателей сельскохозяйственного производства за счёт снижения затрат ручного труда, выполнения всех работ в лучшие агротехнические сроки, повышения товарного выхода продукции, реализуемой по более выгодным ценам.

Цель исследования. Создание вапкообразо вателя активного типа для уборки плодов бахчевых культур, преимущественно некруглой формы, уменьшающего их травмирование до показателей агротребований, снижающего долю ручного труда, увеличивающего срок хранения плодов.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить физико-механические свойства плодов бахчевых культур.

2. Провести анализ существующих валкообразователей, выяснить их преимущества и недостатки.

3. Разработать валкообразователь плодов бахчевых культур активного типа, способный убирать плоды некруглой формы с минимальным их повреждением.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обосновать конструктивные и кинематические параметры разработанного валксобразователя, провести его производственные испытания.

5. Определить экономическую эффективность применения валкообразо-вателя активного типа для уборки плодов бахчевых культур.

Объект исследования - технологический процесс уборки плодов бахчевых культур преимущественно некруглой формы с применением валкообразователя активного типа.

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании конструкции валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа для уборки плодов преимущественно некруглой формы, защищенного патентом РФ на изобретение; теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и кинематических параметров валкообразователя, подтвержденных экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость работы состоит в использовании новой конструкции валкообразователя активного топа, теоретическом и экспериментальном обосновании его параметров, рекомендациях по уборке плодов бахчевых культур некруглой формы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный процесс уборки плодов бахчевых культур некруглой формы.

2. Конструкция валкообразователя плодов бахчевых культур, защищенная патентом РФ на изобретение № 2399192.

3. Аналитические зависимости, определяющие конструктивные и кинематические параметры валкообразователя.

4. Математическая модель, описывающая процесс работы валкообразователя активного типа.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной конструкции валкообразователя.

6. Технико-экономическая оценка эффективности использования разработанной конструкции валкообразователя активного типа.

Реализация результатов исследований. Производственные испытания валкообразователя активного типа для уборки плодов бахчевых культур некруглой формы проводились на полях КХ «Терса» Дубовского района Волгоградской области; КФХ «Масленникова С.П.», ИП КФХ «Михайличенко А.Н.», ИП КФХ «Дашевский А.Г.» Быковского района Волгоградской области.

Апробация. Основные результаты исследований по работе докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» (2008...2011 гг.), ФГОУ ВПО «АЧГАА» (2010 г.), Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер-2010», «Селигер-2011», 2-й Межрегиональной выставке инновационных проектов «ВИП-2010», Специализированной выставке «Агропромышленный комплекс»(2010...2011 гг.), 1-ом Волгоградском

молодежном инновационном конвенте 2010 г., Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи (2010...2011 гг.), I инновационной выставке достижений в Волгоградской области 2011 г., программе «У.М.Н.И.К.» 2011 г., Всероссийском конкурсе «Ползуновские гранты» 2011 г., проекте «Стимулирование молодежного инновационного предпринимательства в РФ» 2011 г.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 13 печатных работ, четыре из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено три патента РФ на изобретения, конструкция валкообразователя отмечена золотой медалью ВЦ «Царицынская ярмарка» в 2010 г, получен диплом ВВЦ в 2011 г. За разработанный валкообразователь получено три гранта:

- «Ползуновские граты»;

- программа «У.М.Н.И.К.»;

- «Стимулирование молодежного инновационного предпринимательства в РФ».

Общий объем опубликованных работ составляет 5 пл., из них 3,28 пл. принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, рекомендаций производству, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 55 иллюстраций, 9 приложений. Список литературы включает 114 источников, из них 8 - на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении изложена краткая характеристика состояния проблемы уборки бахчевых культур существующими валкообразователя ми, обоснована актуальность темы, цель исследований, задачи исследований, объекты исследований, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, реализация результатов исследований, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе «Анализ существующих технологий и технических средств для уборки плодов бахчевых культур» отмечается, что в настоящее время в хозяйствах, занимающихся бахчевыми, нет машин промышленного производства, предназначенных для уборки плодов бахчевых культур; уборка производится, в основном, вручную.

Вопросами уборки плодов бахчевых культур занимались: А.Н. Гудков, А.Ф. Ульянов, Г.Е. Листопад, В.Г. Абезин, В.И. Малюков, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров, ЛЛ. Чабан, И.С. Егоров, В.Н. Мутулов и др. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

В выводах первой главы отмечается, что разработанные и используемые в настоящее; время валкообразователи не удовлетворяют агротехническим тре-босаниям, предъявляемым к машинам для уборки плодов бахчевых культур.

Во второй главе «Теоретические исследования по определению основных параметров валкообразователя активного типа» представлено описание разработанной конструкции валкообразователя активного типа, обеспечивающего уборку плодов некруглой формы с минимальными повреждениями.

Разработанная конструкция валкообразователя (рис. 1) включает в себя раму 1, на которой установлен электродвигатель 2 и редуктор с барабаном 3. Барабаны связаны между собой плоскими ремнями 4. Лопасти 5 крепятся к ремням 4, а под ними установлены удерживающие от провисания пластины. К рам® валкообразователя 1 снизу крепится плетеотрывная планка 10.

1 - ргма валкообразователя; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор с барабаном; 4 - ремень; 5 --лопает; 6 - плетеотрывная планка; 7 - колесо параллелограммного механшма а) вид сбоку; б) вид сверху Рисунок 1 — Схема валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа

Рабочий процесс происходит следующим образом. Трактор с помощью гидросистемы опускает валкообразователь на поверхность поля. При этом вал-кообразователь опирается на колеса параллелограмных механизмов. При движении валкообразователя по бахчевому полю плоды перемещаются к центру машины за счет их взаимодействия с поверхностью ремней и лопастями. В результате по центру агрегата формируется валок.

Дня выполнения качественной уборки и достижения агротехнических требований теоретически и экспериментально определены конструктивные и кинематичес кие параметры разработанного валкообразователя.

Работа всех бахчеуборочных машин сопряжена с механическими воздействиями на плоды бахчевых. Они обусловлены ударом и статическими усилиями. При этих воздействиях наблюдается деформация плода.

Рассмотрим взаимодействие барабана и плода в начальный момент (рис. 2).

1 - барабан; 2 - плод; 3-транспортерная лента а) вид сверху; б) вид сбоку (повернуто)

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на плод при его защемлении между барабаном и лункой

На рисунке 2 представлены: N] — нормальная сила, действующая на плод от вращающейся лопасти; N2 - нормальная сила, действующая на плод со стороны барабана, перемещающегося вместе с машиной; Р - суммарная сипа от действия сил N] и N2; точка «С» - точка приложения суммарной силы Р к плоду, находящемуся в углублении. Точка Д — точка взаимодействия плода с почвой; Р' - проекция силы Р на линию С и Д; у - угол между векторами сил Р и Р'; ш -угловая скорость вращения барабана.

Судя по схеме (рис. 2), повреждение плода возможно от действия суммы сил Р'и G', их величина будет равна:

Р = ——, G == Gcos( — - у) = Gsmy. cosy 2

Сумма проекций сил:

p-p' + G'=——+Gsmy. (1)

cosy

Сила Pi будет вызывать деформацию плода и почвы. Поэтому рассмотрим отдельно деформацию почвы от силы р! и эту же силу, действующую на плод. Процесс деформации почвы сопровождается уплотнением. Элементарная работа уплотнения почвы определится из выражения:

dA = Ptdh, (2)

где: dh—бесконечно малая величина деформации, м.

Работа при уплотнении почвы высотой слоя от начала деформирования ho до конечного h может быть записана:

А=\рхаъ. (3)

к

Величина V ■ 1п — представляет собой смещенный объем Уи следовательно: А

Среднее значение р^, исходя из деформирования различных материалов, в т.ч. и почвы, может быть определено на том основании, чш удельное давление равно напряжению текучести почвы. Тогд а работа по смещению объема Ус будет равна-Л = т€-Г„

где: тс—коэффициент сопротивления почвы смятию, Н/м2.

Сила, с которой рабочий орган валкообразователя будет действовать на плод, определится из выражения:

А Т'П

2 9

(4)

ДА А^-А

где: ДА - высота сдеформированной почвы.

Следовательно, учитывая зависимость (1), коэффициент смятая г, равен:

Зажатый между двумя элементами (цилиндрическим барабаном и почвой) плод подвергается статическому воздействию. При этом глубина деформации плода не должна превышать толщину коры «За» для арбуза или толщины панциря и мякоти для тыквы «бт». Элементарная величина работы по деформированию коры будет представлена выражением: сЫ = 1М8.

При ранее принятых обозначениях это выражение будет записано:

с1А = 2 Р^8, где: Р] - сила от действия барабана.

Полное выражение работы по деформированию плода запишется выражением:

б

А = 2 \P.dS. (6)

После соответствующих преобразований получим:

Л = 2У1Л. (7)

5

Валкообразователь активного типа ориентирован, в основном, на сбор плодов некруглой формы, в первую очередь, тыквы. По форме тыква может быть представлена сочетанием двух фигур: половиной тора и цилиндром с двумя одинаковыми основаниями. Площадь поверхности тора определится по формуле: 5Г = 4пгаЪ, где (о < а < Ь), а- радиус окружности. Для принятых нами обозначений запишем площадь поверхности тора в виде:

5г=4л-2Л-Г, (8)

где: г - радиус окружности; Я - радиус от оси до центра окружности.

Половина поверхности тора: 5Г = 2л2Я ■ г Площадь поверхности оснований двух цилиндров равна:

5ч=2лй2. (9)

Отсюда суммарная площадь поверхности тыквы определится:

^ = = 2я-2Д-г + 2яЯ2=2яЯ(яг + Д). (10)

Поверхность, подвергающаяся сжатию:

где: <р и у/ - центральные углы, в которых заключены наружная и внутренняя поверхности тора (тыквы) соответственно, к..- коэффициент пропорциональности, учитывающий, что деформируется не весь плод, а только его часть.

Максимальное значение объема, в котором будет распространяться работа по допустимому сжатию плода, определится:

где: V-толщина панцирного слоя тыквы.

<15

Аг =к„2ж\К + г)-<р-п//-у [й—1-. (13)

в °т

Удельное усилие при сжатии:

о*)

где: я - удельное усилие приложенное к поверхности плода, Н/м2; а31 - напряжение сдвига на поверхности плода, Н/м2; /„ - коэффициент трения между поверхностью рабочего органа и плодом; 5Т - толщина коры с мякотью для тыквы, м; V -толщина панцирного слоя, м; <т52 - напряжение сдвига слоев мякоти, Н/м2.

Работа при сжатой плода будет равна: А,. =к„л*(Я + г)<р-г-ч/у

+ СГ.

Теорегико-аналитический анализ позволяет определить жесткость материала «С»:

С =

Кпл1{К + г)-^гчп'

<Рт V

. П Н1 Л3 ——7

(16)

д Л9ь

Таким образом, если в полученное выражение (16) подставить соответствующие числовые значения, то можно подсчитать значение допустимой жесткости транспортерной ленты валкообразователя, исключающей повреждение плодов бахчевых.

Начальный контакт лопасти с плодом сопровождается ударом. Физико-механическое явление удара по плоду арбуза рассматривалось во многих работах. Новизна наших исследований в том, что мы рассматриваем возможность применения валкообразователя на тыкве.

В классической теории удара явление соударения двух тел оценивается ударным импульсом и представляет собой уравнение в виде:

I

ти — тУ - jFdl ^

о

где: и - скорость тела после удара; V - скорость тела до удара; И - сила удара; Л—бесконечно малый промежуток времени, ш - масса тела при ударе.

Извесгао, что суммарная работа при ударе плода затрачивается на упругую и пластическую деформации:

А = А1+Аг, (17)

где: А) - работа упругой деформации; А2 - работа пластической деформации.

В работах, выполненных исследователями Егоровым И.С. и Мутуловым В.Н., теоретически обосновано, выражение для определения полной работы:

А = 1 (сЬг + т)гт иг)+ цт и1 + -яг^-З, (18)

сЪг ^ г}гтиг г <тн

Проведенные далее физико-математические преобразования позволяют найти предельно-допустимую поступательную скорость движения валкообра-зоватепя. Она будет равна:

Ч)», -

-5Н-Я- тАЯ-^

1 + <Рт у 2

т 1

— ц

(20)

Теоретическое определение окружной скорости барабана валко-образователя.

При движении валкообразователя с активным рабочим органом каждая его точка совершает сложное движение: центр барабана перемещается по прямой, а каждая его наружная точка - по окружности. При таком сложном движении траектория каждой точки будет представлять собой циклоиду. Следовательно барабан, взаимодействующий с плодом, будет перемещать его по указанной траектории. На схеме (рис. 3) вычерчена часть такой траектории.

Определим траекторию движения центра плода (т.0,). Координата точки А по осям ОХ и ОУ будет представлена параметрическим уравнением:

\Х А=(Кб+гп)ьт<р где: И6 - радиус барабана; г„ — радиус плода; <р

(21)

- угол поворота барабана;

ии - скорость движения машины; I - промежуток времени, при котором центр барабана переместится из точки О в точку О'. и„

Рисунок 3 - Схема траектории перемещения плода при работе валкообразователя

Циклоида характеризуется показателем, соотношением скоростей А: о _ и

им

где: и - окружная скорость барабана; и - поступательная скорость движения его центра.

. 1

<р\ = агсБШ —.

Таким образом, нами получено выражение угла поворота барабана, при котором путь плода по оси ОХ должен быть минимальным. В нашу последующую задачу входило определение окружной скорости и транспортера при условии минимального пути плода по оси ОХ с учетом угла установки секции валкообразователя а .

В конечном виде значение окружной скорости транспортера будет равно:

и

(Яв+О^по;

ст" ^л.сЬ1

--лг о ч--

1 + <Рт ' 2

(23)

Теоретическое определение пути, пройденного плодом при различных соотношениях скоростей и угла установки секции валкообразователя.

После аналитического преобразования в конечном виде значение пути, пройденного плодом будет равно:

Ь

-. (25)

5 =

соб- агсЬ

в1п2а -I вша

+ СОБ <ра

Для решения данного уравнения была составлена программа. В результате получили графики изменения длины пути плодов в зависимости от соотношения скоростей Я и угла установки секции валкообразователя (рис. 4).

Рисунок 4 - Изменение длины пути плодов в зависимости от соотношения скоростей и угла установки сгкции валкообразователя

В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований работы валкообразователя активного типа» были рассмотрены следующие общие и частные методики: определение общей методики экспериментальных исследований и методики проведения поисковых опытов; изучение некоторых физико-механических свойств плодов бахчевых культур (фрикционные, размерно-массовые характеристики, взаимодействие плодов с почвой и рабочими органами, прочностные характеристики плодов и плетей бахчевых культур); исследование работы валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа; оптимизация значений факторов, влияющих на работу валкообразователя активного типа (соотношение скоростей, угол установки, шаг планете).

Лабораторные опыты проводились в 2008-2010 гг. на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Волгоградского государственного аграрного университета. Исследования выполнялись с применением компьютерного измерительного комплекса.

«Ж . * • - '

ж :л щш > .■

Рисунок 5 - Лабораторные исследования с использованием АЦП Е-440 по определению усилия необходимого для перемещения плода тыквы «Волжская серая»

Для определения усилия оказываемого на плод тыквы «Волжская серая» при перемещении по поверхности почвы валкообразователем пассивного типа устанавливался упругий элемент, а к нему крепились датчики, подоэединенкые к АЦП Е-440 и компьютеру, таким образом, все данные были представлены на мониторе компьютера в виде графика.

Для определения основных параметров валкообразователя активного типа использовалась лабораторная установка, а для полевых испытаний - изготовлена секция валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований валкообразователя активного типа» определены физико-механические свойства плодов бахчевых культур (коэффициенты трения покоя и движения, прочност-

ные показатели плетей и их связей с плодами и почвой, размерно-массовая характеристика плодов бахчевых культур); найдены оптимальные показатели трения плодов по почве и конструкторским материалам, определена высота установки планки валкообразователя над поверхностью почвы, сопротивления плодов статическим нагрузкам, получены данные по изменениям длины пути плодов, срокам хранения при лабораторных и производственных испытаниях.

На основании результатов проведённого исследования построена зависимость повреждения плодов от высоты установки планки валкообразователя над поверхностью почвы.

Минимальное травмирование (до 1 %) получено при установке планки над поверхностью почвы высотой 0,04 м, которая принята нами для дальнейших исследований. При этом нижняя кромка планки должна быть скруглена и иметь опорную полку.

Резкое увеличение повреждения происходит при высоте установки 0,08 м, т.к. минимальный размер подбираемого плода составляет в соответствии с агротребованиями 0,15 м, а это—более половины его диаметра.

На основании опытов по экспериментальному определению оптимальных параметров работы валкообразователя активного типа построены соответствующие кривые, представленные на рис. б, 7.

При изменении длины пути плодов бахчевых до формирования валка в зависимости от соотношения скоростей и угла установки секции валкообразователя видно, что путь плодов уменьшается, если увеличивать угол установки секции и соотношения скоростей. При увеличении соотношения скоростей и угла установки секции валкообразователя плоды бахчевых культур проходят наименьший путь, что ведет к уменьшению повреждения плодов.

•ч (

1 —

s --- . г

"п — —.

|

1

1,26 1.3 1,3в 1,42 1.54 1,72 2,1 Соотношение скоростей

| — »-60ГРЭД —«-ЬОград —л—40град -»~Э0грод -ж-20грэд -*-10птя"1

Рисунок 6 - Изменение длины пути плодов тыквы «Волжская серая» в зависимости от соотношения скоростей и угла установки секции валкообразователя

г

I i.

i « •

f 40 Э-

í "

200 эоо 400 600 600

Сила сжатия (Н)

—*-Тш м"Волжская серая* Арбу» "Холодок" Арбу» *Кр*ШС0Н Сущ*

а - тыквы «Волжская Серая» в зависимости от скорости удара; б - бахчевых культур в зависимости от силы сжатия Рисунок 7 - Сроки хранения плодов Полученные данные позволяют сделать следующее заключение. Изменение скорости действия машин на плоды бахчевых оказывает непосредственное влияние на сроки их хранения. Чем она выше, тем меньше срок хранения. Незначительные колебания скорости не изменяют показателя хранения. В то же время, если применить резиновые покрытия рабочих органов или их отдельных элементов, можно в несколько раз увеличить скорость агрегатов и их производительность. Из (рис. 7,а) видно, что чем ниже скорость удара, тем срок хранения больше. Судя по результатам опытов, применение резинового покрытия толщиной 30 мм позволяет в 3,0 .. .3,5 раза увеличить скорость, а лучшим материалом считается прорезиненная лента, так как при ударе о её поверхность срок хранения плодов самый высокий.

Срок хранения плодов бахчевых зависит не только от силы сжатия, но и ог сорта плодов бахчевых культур (рис. 7,6). Срок хранения плодов уменьшается при увеличении силы сжатия. Наименьший срок хранения наблюдается у

плодов арбуза «Кримсон Суит», так как их кора тоньше, чем у плодов арбуза «Холодок» и тыквы «Волжская серая». Механическая нагрузка на плоды бахчевых оказывает существенное влияние на сроки хранения плодов. С ее увеличением срок хранения снижается.

В соответствии с пришггой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3-х факторного эксперимента. Наименование факторов, их уровни и интервалы варьирования приведены в табл.

Таблица - Факторы, их уровни и интервалы варьирования

Факторы Уровни фактора Интервал варьирования, е

0 -1 +1

- соотношение скоростей, м/с 0,2 0,1 0,3 0,1

Хг - угол установки, град. 50 30 70 20

х3 - шаг лопастей, м 0,5 0,3 0,7 0,2

В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде: П^ = 0,66 + 0,1 Зх, - 0,38х2 + ОДх, + 0,13х,х2 - 0,1х,х, + + 0,1х2х, +1,21х,2 +1,31х2 + 0,64x1 » (26)

П^ = 2,3 + 0,65х, - 1,17х2 + 0,03х3 + 0,13х,хг - 0,17х,х, + + 0,15х2х, +1,35х,2 + 1,18х2 + 0,68х* ' (2?)

Выявлено, что оптимальными являются следующие режимы работы валкообразователя: соотношение скоростей Я„ш=О,18...0Д0 м/с, Я^Ю,16..,0,18м/с, угол установки а„„==51...55 град, «„^=58...62 град, шаг планок 0,4...0,6 м.

Таким образом, предложенный валкообразователь активного типа для уборки бахчевых культур некруглой формы обеспечивает минимальное повреждение плодов. Качество уборки отвечает агротехническим требованиям, в результате чего достигается увеличение срока хранения плодов.

В пятой главе «Определение основных экономических показателей применения разработанного валкообразователя активного типа» проведен сравнительный ан!шиз экономической эффективности валкообразователя активного типа с УПВ-8.

Производственными испытаниями установлено, что наиболее эффективным и прибыльным является использование валкообразователя активного типа -2260,1 рублей, т.к. расчетная прибыль на 1 т продукции на 28 % больше, чем проведение аналогичных операций при использовании УПВ-8 -1767,1 рублей.

Общие выводы

1. В результате анализа конструкции валкообразователей плодов бахчевых культур установлено, что существующие валкообразователи промышленного производства не приспособлены к уборке плодов некруглой формы на продовольственные цели, а экспериментальные не отвечают основным требованиям, предъявляемым к машинам для уборки.

2. Разработана математическая модель, позволяющая рассчшэть удельные нагрузки от механических воздействий на плоды бахчевых культур. На. её основе найдены теоретические зависимости для определения допустимых ударных и статических нагрузок на плоды, а также параметры конструкторских материалов валкообразователя.

3. Полученная математическая модель использована для теоретических исследований по определению кинематических параметров валкообразователя: максимальной скорости движения агрегата, окружной скорости транспортерной ленты валкообразователя, соотношения скоростей Я.

4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований получены значения пути, пройденного плодом при различных соотношениях скорое гей и угла установки секции валкообразователя, их оценка по критерию Стьюдеита позволяет утверждать, что полученные кривые соответствуют /г .

5. Экспериментальными исследованиями найдены основные параметры плодов тыквы: диаметр изменяется в пределах от 261 до 352 мм, при этом средние значения составили 311 мм, высота плодов находится в предел;« от 191 до 235 мм, при этом средние значения составили 213 мм, масса плодов варьировала в пределах от 5,9 до 8,3 кг, средняя масса плодов составила 7,1 кг. Их значения использованы при расчете конструктивных элементов валкообразователя.

6. Опытами по изучению деформации плодов установлено, что в коре плода зона разрушения при допустимом статическом воздействии растет прямо пропорционально силе сжатия, а в мякоти пластическая деформация развивается меньше, потому что волна сжатия распространяется больше по пл ощади контакта, чем в глубину.

7. Полевые испытания разработанного валкообразователя активного типа показали, что при уборке плодов арбуза и тыквы он перемещает плода! в валок с повреждениями до 2 %, а при работе валкообразователя пассивного типа повреждение плодов достигает 15 %.

8. Срок хранения зависит не только от силы сжатия, но и от сорта плодов бахчевых культур. Наименьший срок хранения наблюдается у плодов арбуза «Кримсон Суит», так как их кора тоньше, чем у плодов арбуза «Холодок» и ты-

квы «Волжская серая». Механическая нагрузка на плоды бахчевых оказывает существенное влияние на сроки хранения плодов. С ее увеличением срок хранения снижается.

9. Результатами применения разработанного валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа является:

- уменьшение травмирования плодов арбуза до 2 %, а тыквы—до 0,5 %;

- снижение ручного труда на 20 %;

- увеличение срока хранения плодов бахчевых культур на 40 %.

10. Технико-экономические расчеты показали, что наиболее эффективным и прибыльным является использование валкообразователя активного типа, т.к. расчетная прибыль на 1 т продукции на 28 % больше, чем проведение аналогичных операций при использовании УПВ-8.

Рекомендации производству

1. При работе валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа засоренность поля не должна превышать 25 сорных растений на 1 м2.

2. Для снижения повреждения плодов рекомендуемый угол установки секции валкообразователя должен быть в пределах от 40° до 60°.

Список работ, опубликованных по теме диссертации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Ульянов, М.В. Результаты проведения лабораторно-производственных испытаний валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа [Текст]/ М.В. Ульянов, A.B. Ульянов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2011. - Вып. №3(31). - С. 98-100.

2. Цепляев, А.Н. Определение предельно-допустимой скорости движения валкообразователя активного типа [Текст]/ А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, В.А. Цепляев, A.B. Ульянов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2011. - Вып. №4 (24).-С. 215-219.

3. Цепляев, А.Н. Разработка современной машины для уборки плодов бахчевых культур [Текст] / А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, A.B. Ульянов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование.—2010. -№4(20). - С. 164-167.

4. Цепляев, А.Н. Результаты экспериментальных исследований валкообразователя активного типа [Текст]/ А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, A.B. Ульянов, В.А. Цепляев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2010. -№ 3(19). — С. 188-192.

Статьи в материалах конференции

5. Моторин, ВЛ. Конструкция подборщика плодов бахчевых культур [Текст]/ В.А. Моторин, MB. Ульянов // Наука и молодежь: новые идеи и решения: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. молодых исследователей, г. Волгоград. - Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - Ч. III. - С. 273-275.

6. Ульянов, М.В. Анализ валкообразователей плодов бахчевых культур [Текст]/ MB. Ульянов // Материалы III Междунар. науч.-практ. конф. молодых исследователей, посвященной 65-летию образования Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии / ВГСХА. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2009.-С. 121-125,

7. Ульянов, М.В. Валкообразователь активного типа [Электронный ресурс]/ М.В. Ульянов, А.Н. Цепляев // Инновационные идеи молодежи — агропромышленному комплексу: мастерская регионального конкурса инновационных разработок молодых ученых, 17 ноября 2010 г. / Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия: Зворыкинский проект: Молодежный инновационный клуб «Инновариум». - Волгоград, 2010. -1 CD-диск. - С. (36 е.).

8. Ульянов, М.В. Основные показатели применения валкообразователя : плодов бахчевых культур активного типа [Текст]/ М.В. Ульянов, AB. Ульянов // Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. молодых* исследователей, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне / ВГСХА. — Волгоград : Волгоградская ГСХА, 2010. - С. 215-218.

9. Ульянов, М.В. Валкообразователь активного типа как современная машина для уборки плодов бахчевых культур [Текст] / MB. Ульянов // Материалы XVI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области: науч. изд. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - С. 228-231.

10. Ульянов, М.В. Применение валкообразователя активного типа [Текст] / MB. Ульянов // Материалы XV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области: науч. изд. — Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - С. 210-212.

: 11. Цепляев, А.Н. Исследование работы валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа [Текст]/ А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, A.B. Ульянов // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий: материалы междунар. науч.-практ. конф. / ВГСХА. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2010. - С. 298-302.

12. Цепляев, А.Н. Исследование работы валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа [Текст]/ АЛ. Цепляев, М.В. Ульянов, A.B. Ульянов // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий: материалы междунар. науч.-практ. конф. / ВГСХА. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2010. - С. 298-302.

13. Цепляев, А.Н. Определение параметров валкообразователя активного типа по результатам проведения лабораторно-производственных испытаний [Текст]/ А.Н. Цепляев, М.В. Ульянов, A.B. Ульянов // Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве — залог успешного развитая АПК: материалы Междунар. науч.-пракг. конф., Волгоград 25-27 января 2011 г.- Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011.-Т. 2. - С. 3-6.

Подписано в печать 28.03.2012. Формат 60*841/16

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 76. ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива». 400002, Волгоград, пр. Университетский, 26.

61 12-5/3685

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

Ульянов Максим Владимирович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАЛКООБРАЗОВАТЕЛЯ ПЛОДОВ БАХЧЕВЫХ КУЛЬТУР

АКТИВНОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Научный руководитель: д. с.-х. н., профессор Цепляев Алексей Николаевич

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2012

Оглавление

стр.

Обозначения, принятые в диссертации......................................5

Введение...............................................................................7

Глава I. Анализ существующих технологий и технических средств для уборки плодов бахчевых культур

1.1. Значение бахчевых культур для аграрного производства.............12

1.2. Агротехника и технологии уборки плодов бахчевых культур........15

1.2.1. Выборочная уборка плодов бахчевых культур.......................17

1.2.2. Сплошная уборка плодов бахчевых культур.........................21

1.3. Агротехнические требования к валкообразователям для уборки плодов бахчевых культур..................................................................42

1.4. Цель и задачи исследования................................................43

Глава II. Теоретические исследования по определению основных

параметров валкообразователя активного типа

2.1. Конструкция валкообразователя активного типа и принцип его работы........................................................................................44

2.2. Определение усилия на плод некруглой формы при работе валкообразователя пассивного типа....................................................46

2.3. Определение усилия воздействия на плод при работе валкообразователя активного типа........................................................48

2.4. Теоретическое определение допустимого усилия при взаимодействии барабана валкообразователя активного типа с плодом.........54

2.5. Определение параметров материала деталей валкообразователя.. .59

2.6. Определение предельно-допустимой поступательной скорости движения валкообразователя с активным приводом.................................68

2.7. Теоретическое определение окружной скорости барабана валкообразователя...........................................................................73

2.8. Определение пути пройденного плодом при различных

соотношениях скорости и угла установки секции валкообразователя.........77

Выводы...............................................................................80

Глава III. Методика проведения экспериментальных исследований работы валкообразователя активного типа

3.1. Программа исследований...................................................81

3.2. Методика проведения поисковых опытов.....................................82

3.3. Общая методика экспериментальных исследований.....................83

3.4 Методика изучения некоторых физико-механических свойств

плодов бахчевых культур................................................................87

3.4.1. Исследование фрикционных характеристик...........................88

3.4.2. Исследование размерно-массовых характеристик......................93

3.4.3. Взаимодействие плодов с почвой и рабочими органами.... .......94

3.4.4. Прочностные характеристики плодов и плетей бахчевых культур.......................................................................................97

3.5. Оборудование, приспособление и приборы, использованные при проведении исследований............................................................................98

3.6. Методика исследования кинематических и конструкторских параметров валкообразователя...........................................................101

3.7. Методика проведения полевых испытаний валкообразователя.... 109

3.8. Методика проведения многофакторного эксперимента.............111

3.9. Факторы объекта исследования...........................................113

Глава IV. Результаты экспериментальных исследований

валкообразователя активного типа

4.1. Коэффициенты трения покоя и движения плодов бахчевых

117

культур......................................................................................117

4.1.1. Показатели трения плодов по почве и конструкторским

материалам.................................................................................117

4.2. Определение высоты установки планки валкообразователя над поверхностью почвы.....................................................................120

4.3. Прочностные показатели плетей и их связей с плодами и

121

почвой.......................................................................................iZ,i

4.4. Размерно-массовая характеристика плодов бахчевых культур... 123

4.5. Сопротивление плодов статическим нагрузкам.......................126

4.6. Результаты экспериментальных исследований валкообразователя активного типа............................................................................127

4.7. Оптимизация конструктивных параметров.............................133

Выводы.............................................................................139

Глава V. Определение основных экономических показателей применения разработанного валкообразователя активного типа

5.1. Определение затрат на изготовление валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа...................................................141

5.2. Экономическая эффективность, полученная в результате

использования валкообразователя активного типа на уборке бахчевых

147

культур......................................................................................141

Общие выводы и рекомендации производству.........................150

Список используемой литературы.........................................152

Приложение.........................................................................163

Обозначения, принятые в диссертации

N - нормальная сила, Н;

Т - сила перемещающая плод вдоль планки, Н; Р- сила трения плода, Н;

Р - сила, действующая со стороны планки на плод, Н; Р1 - сила от действия барабана, Н; # - переменное усилие деформирования, Н/м ; Яб - радиус барабана, м; гп - радиус плода, м;

Ял - радиус лунки при воздействии на плод тензометрической иглой, м; гт - радиус шарика тензометрической иглы, м; Яп - радиус деформации плода тыквы; Я - радиус от оси до центра окружности, м; О - вес плода, Н;

^ - коэффициент трения скольжения плода о почву;

2

Я' - переменная площадь контакта, м ;

2

8-площадь поперечного сечения уплотняемой почвы, м ; р- удельное усилие, Н/м2; 8 - толщина коры с мякотью для тыквы, м;

V - толщина панцирного слоя, м; С - жесткость материала, Н/м;

Ак - высота конуса напряжения, м; ЬР - длина дуги, на которой совершается работа, м; а - угол в вертикальной плоскости между осью симметрии и плоскостью деформации;

(рй - центральный угол дуги деформации;

и - скорость тела после удара, м/с;

V - скорость тела до удара, м/с; ¥у - сила удара, Н;

(р - угол между суммарными векторами сил и скорости, рад; о - постоянная скорость движения барабана, равная скорости движения машины, м/с;

До - прирост скорости от действия упругой деформации, м/с; 7 - коэффициент восстановления тела;

Ъ - глубина деформации транспортерной ленты при ударе, м;

Ум - скорость движения машины, м/с;

11т - скорость транспортерной ленты с лопатками, м/с;

Бц - смещение центра при перекатывании плода;

ц - коэффициент перекатывания;

4 - половина хорды шарового сегмента, взаимодействующего с

почвой;

срл - центральный угол, рад.

<ун - нормальное допустимое напряжение

Ключевые слова:

- валкообразователь активного типа;

- плоды некруглой формы;

- плодосдвигающие ребра;

- плетеотрывная планка;

- повреждение плодов;

- снижение ручного труда;

- сокращение срока уборки.

Введение

Площади посевов бахчевых культур в России составляют около 500 тыс. га, из них 80% посевов возделываются без орошения, т.е. в богарных условиях. Наиболее распространенной бахчевой культурой является арбуз, занимающий более 70% всей посевной площади бахчевых; второе место принадлежит дыне (около 20%), и третье тыкве (около 10%) [7,21,60]. В богарном бахчеводстве 85% занимают посевы арбузов, являющиеся основным источником получения бахчевой продукции.

В современном производстве продукции растениеводства широко используют машинные технологии. Они позволяют снизить или полностью исключить долю ручного труда за счёт комплексной механизации технологических процессов. [7,46,101,104].

После резкого роста цен на энергоносители, удобрения, пестициды и сельскохозяйственные машины, производство сельскохозяйственной продукции стало дорогостоящим. При выращивании бахчевых, плодовых, овощных и других культур полностью исключить ручной труд невозможно из-за специфических свойств не только растений, но и плодов [15,28]. Поэтому для повышения эффективности возделывания сельскохозяйственных культур, например бахчевых необходимо совершенствовать технологию и технические средства, позволяющие увеличить урожайность, уменьшить повреждаемость плодов при уборке, улучшить качество продукции, снизить её себестоимость. Для повышения эффективности возделывания бахчевых культур и обеспечения полной механизации технологических процессов, необходимо внедрение прогрессивных технологических приемов и создание специальных машин и орудий [48,93].

Применение усовершенствованных технологий и технических средств позволит получить ранние и дружные всходы, повысить урожайность и качество, уменьшить повреждаемость плодов при уборке, производить

уборку плодов некруглой формы, снизить себестоимость полученной продукции.

Актуальность темы. При возделывании бахчевых культур уборка является самой затратной технологической операцией на нее приходится до 40% всех затрат.

Уровень механизации в крестьянских и фермерских хозяйствах, занимающихся производством бахчевых, составляет около 15%. Внедрение передовых технологий на базе комплексной механизации процесса уборки урожая позволит не только облегчить труд бахчеводов, но и поднять его производительность и снизить себестоимость продукции.

Имеющиеся технические средства, предназначенные для уборки плодов бахчевых культур, из-за высокой их стоимости не находят широкого применения среди мелких производителей. Разработанные в нашей стране и за рубежом средства механизации уборки бахчевых имеют низкую производительность и по показателям повреждаемости плодов не отвечают агротребованиям.

В связи с этим, остаётся актуальной проблема механизации уборки плодов бахчевых культур преимущественно некруглой формы и создания конструкции валкообразователя активного типа, способного производить их уборку с минимальным травмированием. Решение данной проблемы будет способствовать улучшению экономических показателей

сельскохозяйственного производства за счёт снижения затрат ручного труда, выполнения всех работ в лучшие агротехнические сроки, повышения товарного выхода продукции, реализуемой по более выгодным ценам.

Цель исследования. Создание валкообразователя активного типа для уборки плодов бахчевых культур, преимущественно некруглой формы, уменьшающего их травмирование до показателей агротребований, снижающего долю ручного труда, увеличивающего срок хранения плодов.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить физико-механические свойства плодов бахчевых культур.

2. Провести анализ существующих валкообразователей, выяснить их преимущества и недостатки.

3. Разработать валкообразователь плодов бахчевых культур активного типа, способный убирать плоды некруглой формы, с минимальным их повреждением.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обосновать конструктивные и кинематические параметры разработанного валкообразователя, провести его производственные испытания.

5. Определить экономическую эффективность применения валкообразователя активного типа для уборки плодов бахчевых культур.

Объект исследования. Технологический процесс уборки плодов бахчевых культур, преимущественно некруглой формы с применением валкообразователя активного типа.

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании конструкции валкообразователя плодов бахчевых культур активного типа для уборки плодов некруглой формы, защищенного патентом РФ на изобретение; теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и кинематических параметров валкообразователя, подтвержденных экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость работы состоит в использовании новой конструкции валкообразователя активного типа, теоретическом и экспериментальном обосновании его параметров, рекомендациях по уборке плодов бахчевых культур некруглой формы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный процесс уборки плодов бахчевых культур

некруглой формы.

2. Конструкция валкообразователя плодов бахчевых культур, защищенная патентом РФ на изобретение № 2399192.

3. Аналитические зависимости, определяющие конструктивные и кинематические параметры валкообразователя.

4. Математическая модель, описывающая процесс работы валкообразователя активного типа.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной конструкции валкообразователя.

6. Технико-экономическая оценка эффективности использования разработанной конструкции валкообразователя активного типа.

Реализация результатов исследований. Производственные испытания валкообразователя активного типа для уборки плодов бахчевых культур некруглой формы проводились на полях КХ «Терса» Дубовского района, Волгоградской области; КФХ «Масленникова С.П.», ИП КФХ «Михайличенко А.Н.», ИП КФХ «Дашевский А.Г.» Быковского района,

Волгоградской области.

Апробация. Основные результаты исследований по работе докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» (2008...2011гг.), ФГОУ ВПО «АЧГАА» (2010г.), Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер-2010», «Селигер-2011», 2-й Межрегиональной выставке инновационных проектов «ВИП-2010», Специализированной выставке «Агропромышленный комплекс»(2010...2011 гг.), 1-ом Волгоградском молодежном инновационном конвенте 2010г., Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи (2010...2011гг.), 1-ой инновационной выставке достижений в Волгоградской области 2011г., программе «У.М.Н.И.К.» 2011г., Всероссийском конкурсе «Ползуновские гранты» 2011г., проекте «Стимулирование молодежного инновационного предпринимательства в РФ» 2011г.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 13 печатных работ, четыре из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено три патента РФ на изобретения, конструкция валкообразователя отмечена золотой медалью ВЦ «Царицынская ярмарка» в 20 Юг, получен диплом ВВЦ в 2011г. За разработанный валкообразователь получено три гранта:

- «Ползуновские гранты»;

- программа «У.М.Н.И.К.»;

«Стимулирование молодежного инновационного

предпринимательства в РФ».

Общий объем опубликованных работ составляет 5 п.л., из них 3.28 п.л.

принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, рекомендаций производству, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 55 иллюстраций, 9 приложений. Список литературы включает 114 источников, из них 8 на иностранных языках.

Глава I. Анализ существующих технологий и технических средств для

уборки плодов бахчевых культур

1.1. Значение бахчевых культур для аграрного производства

Бахчевые культуры (арбуз, дыня тыква) - стелющиеся или цепляющиеся растения семейства тыквенных, происходят из тропических и субтропических стран - Азии, Африки и Америки. Родиной арбуза является Южная Африка, где он до сих пор встречается в диком виде. Уже в Древнем Египте люди знали и возделывали эту культуру. Арбуз часто помещали в усыпальницы фараонов как источник пищи в их загробном существовании. В Западную Европу арбузы были завезены в эпоху крестовых походов, а в России появились лишь в XVII веке и в 1660 году по распоряжению царя Алексея Алексеевича доставлялись из Астрахани в Москву [22].

В настоящее время бахчевые выращивают везде, где позволяют почвенно-климатические условия, кроме того, арбузы выращивают и в тепличных условиях.

В России основными районами возделывания бахчевых культур являются Астраханская, Волгоградская, Саратовская области и Северный Кавказ. Бахчевые культуры выращивают также в небольшом количестве в Центрально-черноземной зоне, в Среднем Поволжье, на Урале, Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Нижнее Поволжье - колыбель русского бахчеводства. Эта зона включает Саратовскую, Волгоградскую и Астраханскую области. Левобережная часть богата супесчаными массивами, смыкающимися с полупустынями Казахстана. Река Волга обеспечивает дешёвый способ перевозки бахчевых культур в центральные районы страны и развитие товарного бахчеводства.

В Нижнем Поволжье исторически выделяются более концентрированные посевы бахчевых культур в следующих подзонах:

астраханское устье реки Волги, Волгоград-Калачинская-Волго-Донская перемычка, Камышинская и в районе степного Заволжья. Это уникальное место для производства бахчевых культур, сухой климат и незначительное количество осадков не позволяют интенсивно развиваться другим отраслям земледелия [22].

Продукция бахчеводства с давних времён находит самое широкое и разносто�