автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса и оптимизация параметров рабочих органов машины для посадки табака в поле

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИНЫ ДЛЯ ПОСАДКИ ТАБАКА В ПОЛЕ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар — 2006

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий»

Научный руководитель — кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Виневский Евгений Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Абликов Виктор Александрович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кузнецов Геннадий Яковлевич

Ведущая организация — ФГОУ ВПО «Азово - черноморская

государственная агроинженерная академия»

Защита состоится « /3» 2006 г. в /^ часов на

заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО «КубГАУ») по адресу: 350044 г. Краснодар, ул. Калинина, 13, ауд. № 401 (корпус факультета механизации).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «КубГАУ».

Автореферат разослан « /А 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совету

д.т.н., профессор ^^ Чеботарев М И.

¿006/^ з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении многих лет табак был одной из самых прибыльных сельскохозяйственных культур в хозяйствах южнопредгорной зоны Краснодарского края. Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края совместно с ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий» разработана программа «Производство табака и табачных изделий в Краснодарском крае». Целью которой является стабилизация работы отрасли табаководства и предприятий табачной промышленности в Краснодарском крае.

Основным и наиболее трудоемким процессом выращивания табака является высадка его рассады в грунт. Существующие в настоящее время конструкции посадочных аппаратов отечественных и зарубежных машин не способны работать без применения ручного вкладывания рассады, что является дополнительным ограничивающим фактором их производительности.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГНУ «ВНИИТТИ» на 2001—2005 гг. (шифр 01.04.02 «Разработать научные основы ресурсосберегающих технологий возделывания табака, обеспечивающих повышение эффективности использования агроландшафтов, экологической безопасности агроценозов», номер государственной регистрации 01200404896); а также государственными контрактами ГНУ «ВНИИТТИ» с департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края № 5 7./4-2003, № 5.9./12-2004 и № 5 9./! 2-2005 по теме «Разработка эскизного проекта и опытного образца приспособления к рассадопосадочной машине для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату».

Цель диссертационной работы — исключение ручного труда при подаче рассады к посадочному аппарату, ппш пнГШп и|иипппднтгдпцпгтн про-

Г ¿ОС.Национальная! | библиотека | !

цесса высадки рассады табака в поле путем применения оптимальной схемы рабочего органа и рассадопосадочного агрегата.

Объект исследования — технологический процесс посадки рассады табака в поле с применением рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Предмет исследования — выявление закономерностей и условий эффективного функционирования рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Научная новизна. Получены зависимости режимов работы рабочего органа для автоматической подачи рассады табака к посадочному аппарату от физико-механических свойств посадочного материала. Разработаны математические модели и обоснованы параметры технологических операций и рабочего органа для автоматической подачи рассады табака к посадочному аппарату. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2265983.

Практическая ценность работы. Предложены принципиально новый способ и рабочий орган для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату и разработаны исходные требования на приспособления для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Разработана методика инженерного расчета рабочих органов для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при разработке перспективных способов и средств механизации посадки рассады овощных и технических культур с учетом особенностей сортов.

Реализация результатов исследований. Изготовлен экспериментальный образец рассадопосадочной машины с рабочим органом для подачи рассады табака к посадочному аппарату и проведены его предварительные ис-

пытания; разработаны исходные требования на приспособление для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату, утвержденные Ученым советом ГНУ «ВНИИТТИ».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (КубГАУ; 2002, 2003, 2004, 2005 г.); а также на конференции «Проблемы повышения качества и безопасности табака и табачных изделий» (ГНУ «ВНИИТТИ»; 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах, включая один патент на полезную модель № 40834 и один патент на изобретение № 2265983.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

— закономерности эффективного функционирования рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату;

— оптимальные параметры и режимы работы органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату;

— физико-механические свойства растений табака рассадного периода вегетации;

— методика инженерного расчета рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату;

— эффективность применения усовершенствованной технологии посадки рассады табака с использованием рассадопосадочной машины с приспособлением для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 125 наименований (в том числе 9 — на иностранном языке) и 16 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 36 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» рассматриваются краткая история развития механизированной посадки рассады табака в поле, современные способы посадки рассады табака и необходимые для этого средства механизации, а также обзор экспериментально-теоретических исследований.

Установлено, что производительность полуавтоматической рассадопосадочной машины, независимо от ее конструкции, ограничивается применением ручного труда, применение известных конструкций автоматических рассадопосадочных машин позволяет лишь косвенно увеличить производительность процесса высадки рассады табака в поле.

Различные вопросы высадки рассады табака в поле рассмотрены в работах И. П Леонова, М И. Чубарина. А А Черняка, III М.Григоряна, Ю. К. Гергия, В. Н. Кузина, С. С. Саакяна, Ю. Ф. Скидана, А. М Медведева, И. И. Ахмедова, Л. Б. Адамяна, С. И. Чочия, К. И. Суриавы, А. М. Хеладзе и др. Анализ позволил установить, что имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования в основном посвящены изучению процесса работы рассадопосадочного аппарата и его параметров.

Установлено отсутствие в литературных источниках научного обоснования параметров и режимов работы рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату. В связи с этим на основании анализа состояния существующих средств механизации посадки пересадочных культур были поставлены следующие задачи исследований:

1. Изыскать технологическую схему рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

2 Теоретически обосновать технологический процесс и параметры рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

3 Изучить физико-механические свойства растений табака рассадного периода вегетации.

4 Оптимизировать параметры и режимы работы рабочего органа для подачи рассады к посадочному аппарату

5. Разработать методику инженерного расчета рабочего органа для подачи рассады к посадочному аппарату.

6 Испытать и определить эффективность применения рабочего органа для подачи рассады табака к посадочному аппарату.

Во второй главе «Теоретическое обоснование технологического процесса и параметров рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату» представлены результаты теоретических исследований, позволившие разработать конструкцию рабочего органа для автоматической подачи рассады в рассадодержатели рассадопосадочного аппарата (патент на изобретение № 2265983 РФ), принцип работы которого основан на выделении единичной рассады из группы растений вращающимся пневматическим барабаном.

Процесс отделения единичной рассады от группы можно представить состоящим из двух фаз: выделения рассады в группе и переноса выделенной рассады. Давление в сопле окна присоса в первой фазе работы накопительного пневматического барабана определяется как (рисунок 1, а):

(1)

где Р\ — давление в окне присоса. Н/м2; т - число сопел в окне присоса; £ — коэффициент использования окна присоса; с/ — диаметр сопла окна присоса, м2; /— коэффициент трения;

Р,-, — сила, создаваемая работающим барабаном, I!, л — число растений в группе; СI — вес одного растения, Н

х

в

/ / 1Л \ \о/

Jpfat*

\ I / > ^ р

\ ! / 4 \

а б

Рисунок 1 — Схема действия пневматического барабана на единичную рассаду

а — в момент отделения ее от группы растений, б - в момет ее переноса

Из ранее проведенных исследований известно Рп ~ 1,5/^,,. где сила сопротивления среды. Давление в сопле окна присоса в момент переноса рассады (см. рисунок I, а) определяется как:

(п..J д COS (tp i (Ot)

, -л«1-в—и:-г, (2)

т%т \ вт^ )

где «7р — масса рассады, г.;

Я - радиус пневматического барабана, м; (о — угловая скорость, с"1; <р — угол трения, град. Установленные зависимости позволяют определять глубину вакуума в накапливающем пневматическом барабане в первой и второй фазах его работы (рисунок 2) в зависимости от физико-механических свойств посадочного материала и параметров пневматического барабана При диаметре сопла окна присоса 6 мм давление в накопительном пневматическом барабане в первой фазе его работы составило 3 кПа, во второй фазе работы - - 1,2 кПа, а число

сопел в окне присоса —- 15. Принимаем максимальное значение глубины вакуума равным 3 кПа.

О 5 10 15 20 25 зо 35 Число сопел в окне присоса

а)

5 10 15 20 25 30 35 Число сопел в окне присоса

б)

Рисунок 2 — Зависимость числа сопел в окне присоса накапливающего пневматического барабана от величины давления и от диаметра сопла а — в первой фазе его работы; 6 — во второй фазе его работы

Давление в подающем барабане в момент перехода рассады с накапливающего пневматического барабана на подающий (рисунок 3):

Рисунок Ч - Работа пневматических барабанов

/ — накапливающий пневмл ическнп барабан, 2 — подающий пневматический барабан, 3 — сопла окна присоса накапливающего пневматического барабана; 4 — сопла подающею пневматического барабана, 5 — рассада 1а-бака

Н, = 5,2 Н.

х

(3)

Полученное выражение используется для расчета необходимого давления в подающем пневматическом барабане Н? в зависимости от давления в накопительном пневматическом барабане Я/ от зазора х между ними, радиуса сопла окна присоса Л«. Так, при диаметре сопла окна присоса 6 мм и зазоре между пневматическими барабанами х = 12 мм давление в подающем пневматическом барабане составит 8—14 кПа.

Процесс вкладывания рассады в транспортирующее устройство посадочного аппарата характеризуется свободным движением растения между подающим пневматическим барабаном и раскрытым рассадодержателем рассадопосадочного аппарата (рисунок 4):

Рисунок 4 — Схема движения рассады

схема работы подающего барабана и под-

жимного ролика, б — траектория движения рассады

Уравнение траектории движения рассады с учетом сопротивления воздуха, но без учета потока нагнетания будет иметь вид:

У = -

2 К

(4)

1-К, *„(1-0' где У— высота установки лекал, м;

X - расстояние от оси подающего барабана до центра рассадодержателя

(дальность свободного движения рассады), м; кп -— коэффициент парусности рассады табака; V,, — начальная скорость движения рассады табака, м/с.

Уравнение траектории движения рассады с учетом действия потока нагнетания и сопротивления воздуха будет иметь вид-

2 к„

4е

2,/А,

(5)

, К, + и

где Л = —--

К-и

и — скорость движения потока повышенного давления, м/с. Учитывая небольшую величину перемещения, воспользуемся уравнением движения рассады без учета сопротивления воздуха:

У = —

-Xtga,

(6)

2 Vucosa

Графическая интерпретация теоретической зависимости дальности свободного движения рассады от высоты установки лекал и скорости вращения подающего барабана представлена на рисунке 5.

ада

0 1 0,15 0,2 0,25

Высота установки лекала, м

Рисунок 5 Зависммосги даньносш свободною движения рассады ог высоты ускшовкн лекала и скорости вращения подающего пневмашческого барабана

В соответствии с конструкцией посадочного аппарата дальность свободного движения рассады ^ограничивается 0,12—0,18 м, тогда при скорости движения посадочного ;н регата Км=1,37 км/ч высота установки лекала У

составит 0,25 м, при 2,27 км/ч— 0,21 м; при 3,17 км/ч — 0,17 м; при 4,68 км/ч —0,14 м.

Таким образом, с помощью моделирования технологических процессов работы органа для автоматической подачи рассады и изучения их кинематики и динамики были определены его основные параметры и установлена зависимость между ними.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены общая и частные методики, использованные в работе. Описываются применяемое оборудование и условия проведения опытов.

Методикой предусматривалось изучение биометрических показателей растений табака рассадного периода вегетации сортов табака Юбилейный и Трапсзонд 15 по ОСТ 10-113-88. Изучение процессов деформации стебля и взаимодействия растений в группе проводилось на специально изготовленных приборах, имитирующих данные процессы. Также нами были определены коэффициенты трения и парусности, при этом использовались стандартные методики.

Для оценки влияния кинематических и геометрических параметров рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату был изготовлен экспериментальный образец рассадопосадочной машины (рисунок 6), представляющий собой двухрядную машину с серийной и оригинальной посадочными секциями, агрегатируемую с трактором МТЗ-80.

В основу методики проведения опыта положен РД 10.5.3-88 «Машины рассадопосадочные. Программа и методики испытаний», а условия проведения испытаний соответствовали ГОСТ 23730-88. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами общей теории статистики и теории планирования эксперимента в соответствии с ГОСТ 8.207-76 с помощью программ Excel и MathCAD.

Рисунок 6 — Общий вид экспериментального образца рассадопосадочной машины

Экономическая оценка проводилась согласно ГОСТ 23728-79 «Техника сельскохозяйственная», ГОСТ 23728-88 «Основные положения и показатели экономической оценки», ГОСТ 23729-88 «Методы экономической оценки специализированных машин», а также ГОСТ 23730-88 «Методы экономической оценки универсальных машин и технологических комплексов».

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату» приведены результаты проведенных экспериментальных исследований.

Анализ основных биометрических параметров рассады табака основных районированных сортов позволил выявить, что длина растений варьирует слабо и составляет 215—232 мм, масса растения рассады 4—5 г, диаметр стебля у корневой шейки 4—4,5 мм, а ширина кроны 60—70 мм. Так же установлено, что отношение положения центра масс рассады к его общей длине составляет в среднем 0,61+0,02, с колебаниями от 0,59 до 0,63. Обработка данных проводилась методами математической статистики, а разность между средними ¡начениями выходных параметров оценивались по критерию НСР.

Наряду с размерными параметрами рассады была установлена существенная корреляционная связь между силой взаимодействия растений в груп-

пе и числом растений в данной группе, которая может быть описана уравнением теоретической линейной регрессии У~0,55х - 8,10, коэффициент детерминации <1>х = 0,96 (рисунок 7, а).

Была установлена критическая величина участка упругой деформации рассады, выбранной в день высадки — напряжение 8,9 кПа при относительной деформации 21,9 %, и рассады, выбранной за 24 часа до высадки — 14,2 кПа и 38,0% соответственно (рисунок 7, б).

Чксао ршеям ■ группе, >13 т Относительная деформация, %

а б

Рисунок 7 — Гсоретнчсские зависимости а — между силой и количесшом растений п группе б — между напряжением и относительной деформацией

Коэффициен! корреляции в обоих случаях близок к единице, что свидетельствует о сильной существенной корреляционной связи, т. е. в обоих случаях участки пластической деформации можно принять за прямолинейные с уравнениями теоретических линией регрессии Н= 0,05* ^ 0,02 и У~ 0,03* + 0.15 Полученные зависимости позволяют определить возможные напряжения при заданной деформации.

В резулма1е проведения экспериментов было установлено, что коэффициент парусности рассады табака равен 0,149x0,011 с доверительным интервалом 0,138 0,160 (95%-я зона), статический коэффициент трения рассады табака о различные конструкционные материалы рабочих поверхностей составляет 0,885—0,984.

Для дальнейших исследований, на основании проведенных поисковых опытов, мы выбрали конструкцию рабочего органа с двумя пневматическими барабанами (рисунок 8). С целью оценки характера связи между параметрами рабочего органа и параметрами работы проведен спланированный эксперимент, нами было применено ортогональное планирование второго порядка После реализации матрицы проведен регрессионный анализ качественных показателей работы рабочего органа с целью расчета математической модели процесса и проверки ее адекватности.

Рисунок 8 — Схема рабочего ор! ана для иолачи рассады к рассадодержаа'лям рассадопосадочно! о аппарата

/ - накапливающий пневматический барабан, ? — подающий пневматический барабан 3 — сопла окна присоса накапливающею пневматического барабана, 4 — ролик, 5 — сопла окна присоса подающего пневматического барабана б -- дека, 7 — рассадолержагель рассадопосадочною аппарата, 8 — бункер-шпатель, 9 — дно бункера-пита! еля, 10—юна со мания вакуума подающего пневматического барабана, II — зона создания повышенною давления

Уравнение регрессии для определения эффективности работы накапливающего пневматического барабана У„ имеет вид (рисунок 9)-

3 9 !

I I 5 2

У„=3 /, 58-2 7,63х,-40,28х2 4 3,92х,х2+3,42х,хг -0,92х,х}+20, 13х,2+5,19х,-+12,44х3\

где V, - - кодированное значение выходного зазора деки;

х2 — кодированное значение входного зазора деки;

х3 — кодированное значение частоты вращения накапливающего барабана.

18 ю

лазорЬ,им

и 5

доор А, 4М»

Рисунок 9 — Зависимость эффективности работы накапливающего пневматического барабана У„ от величины ¡аюров при частоте вращения накапливающею пневматического барабана а) п = 30 мин"', б) п - \20 мин"1

Уравнение регрессии эффективности процесса перехода рассады с накапливающего пневматического барабана на подающий У„р.

УП1г47.20-5,П-!\, у25,71х,-9,88х,х, (23,33х/, (8)

где х, — кодированное значение величины радиального зазора между барабанами;

х} — кодированное значение разницы уровней глубины вакуума между

пневматическими барабанами; х3 — кодированное значение частоты вращения пневматических барабанов.

Уравнения регрессии для определения эффективности работы подающего пневматического барабана имеют вид (рисунок 10): а) уравнение дальности свободного движения рассады У„:

У„ =45,90+26,50\,+22,13 х,+5,73х,хИ 24,35хЛ 15,42х:,\ (9)

где л-/ — кодированное значение высоты установки лекал;

х, — кодированное значение частоты вращения пневматических барабанов;

х3 — кодированное значение величины давления в полости нагнетания

подающего пневматического барабана, б) уравнение регрессии ориентации рассады У„:

К, =45,90-46,1 Охз-12,93х22-21,64х/, (10)

а б

Рисунок 10 -- Эффекгивность работы подающего пневматического барабана

а — зависимость дальности полета рассады У„ от высоты установки лекал и частоты вращения барабана б — зависимость ориентации рассады У,, от давления в нагнетательной полости и частоты вращения

По полученным уравнениям регрессии были построены графики зависимостей показателей работы от исследуемых параметров рабочего органа. Более тщательный анализ проводили, стабилизировав два фактора на ранее найденных оптимальных уровнях. Полученные таким образом кривые представляют собой след сечения поверхности отклика вертикальными плоскостями, соответствующими содержанию каждого опыта. Это дало возможность проанализировать результаты экспериментов, установить влияние каждого фактора друг на друга и получить их оптимальные значения.

Установлены оптимальные параметры и режимы работы рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату: входной зазор между накапливающим пневматическим барабаном и подбарабаньем Ь = 10 мм; выходной зазор между накапливающим пневматическим бараба-

ном и подбарабаньем а = 6 мм; частота вращения накапливающего пневматического барабана п - 75 мин"'; глубина вакуума в накапливающем пневматическом барабане — 3 кПа; глубина вакуума в подающем пневматическом барабане составляет 8—14кПа; давление в полости нагнетания подающего пневматического барабана 0,2 мПа; сила действия поджимной ленты Р„ = 2,8— 3,2 Н; расстояние до центра рассадодержателя — / = 0,12 м; высота установки лекала рассадопосадочного аппарата при скоростях движения посадочного агрегата Уы: 1,37 км/ч — 0,25 м; 2,27 км/ч — 0,21м; 3,17 км/ч —0,17 м; 4,68 км/ч — 0,14 м.

В результате проведения полевых опытов и испытаний установлена устойчивая работоспособность приспособления для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату и экспериментального образца рассадопосадочной машины в целом (рисунок 11). Подтверждены основные положения теоретического анализа рабочего процесса.

В пятой главе «Методика инженерного расчета рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату» представлена методика и алгоритм расчета основных параметров и режимов работы рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату. В основу методики положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, с учетом физикомеханических и биометрических свойств высаживаемой культуры.

В результате расчета были получены, кроме результатов теореч ических и экспериментальных исследований, следующие параметры рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату диаметр пневматических барабанов D составил 153 — 155 мм; ширина пневматических барабанов 105 - 107 мм; диаметр сопла окна присоса cl = 6 мм; число сопел в окне присоса m ~ 13, зазор между пневматическими барабанами v - 5 7 мм, алина дна бункера питателя /t ~ 109- 111 мм.

Рисунок 11 — Компоновочная схема рассадопосадочного агрегата с приспособлением для автомагической подачи рассады к посадочному аппарату

/ — рассадопосадочный аппарат, 2 — приспособление для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату, 3 — накапливающий пневматический барабан, 4 — бункер-питатель, 5 — подающий пневматический барабан, 6 — колеса онорно-приводные, 7 — сошник посадочною аппарата 8 — колеса уплотняющие

В шестой главе «Экономическая эффективность технологии и рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату» выполнен расчет и приведено сравнение экономической эффективности базового варианта, состоящего из рассадопосадочной машины СКН-6 в агрегате с трактором МТЗ-80, и того же агрегата, но с применением рабочего органа для автоматической подачи рассады в рассадодержатели посадочного аппарата.

Применение рабочего органа для автоматической подачи рассады табака к посадочному аппарату позволяет снизить затраты труда на 76,2 %.

Чистый дисконтированный доход от внедрения на площади 84 га составляет 98 232,5 руб., а дисконтированный срок окупаемости инвестиций 4,45 года, срок окупаемости инвестиций в 1,6 раза меньше срока службы

машины. Это свидетельствует об эффективности капиталовложений в рабочий орган для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа способов и средств механизации посадки рассады табака, установлено, что машинный способ посадки наиболее эффективен, обеспечивает экономию рабочей силы, при этом соблюдается прямолинейность рядков, что очень важно при тракторной междурядной обработке высаженной культуры. Наиболее эффективными являются рассадопосадочные машины, имеющие автоматический посадочный аппарат, снижающий затраты труда в 2—3 раза.

2. Разработанная технологическая схема рабочего органа для автоматической подачи рассады табака к посадочному аппарату включает, бункер-питатель для рассады, подающий и накапливающий пневматические барабаны, элементы механического привода и соединительную пневматическую арматуру (патент РФ на изобретение № 2265983).

3 Получены уравнения и теоретические зависимости основных параметров и режимов работы рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату. Давление в накопительном пневматическом барабане в первой фазе его работы - 3 кПа, во второй фазе работы 1,2 кПа. число сопел в окне присоса - 15 при диаметре 6 мм и зазоре между пневматическими барабанами х = 12 мм, давление в подающем пневматическом барабане - 8 - 14 кПа. Исходя из конструкции посадочного аппарата дальность свободного движения рассады ограничивается 0,12—0,18 м.

4 Анализ важнейших биометрических параметров рассады основных районированных сортов габака позволил установить, что длина растений рассадною периода вегетации варьирует слабо и составляет 215 —232 мм. а масса рассады изучаемых сортов 4 -5 г Диаметр стебля у корневой шейки составляет 4—4.5 мм, а ширина кроны 60 — 70 мм Установлено, что отноше-

ние положения центра масс рассады к его общей длине составляет в среднем 0,61+0,02, с колебаниями от 0,59 до 0,63; коэффициент парусности равен 0,149+0,011 с доверительным интервалом 0,138-0,160; статический коэффициент трения рассады табака о различные конструкционные материалы рабочих поверхностей составляет 0,885-—0,984. Эти параметры необходимо учитывать при проектировании и изготовлении рабочих органов рассадопосадочных машин.

5. Установлена критическая величина участка упругой деформации рассады, выбранной в день высадки — напряжение 8,9 кПа при относительной деформации 21,9 %, а рассады, выбранной за 24 часа до высадки — 14,2 кПа и 38,0 % соответственно. Полученные данные позволяют определять верхний предел вакуума в подающем пневматическом барабане, являющийся безопасным для растения табака рассадного периода вегетации.

6. Оптимальные параметры и режимы работы рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату входной зазор между накапливающим пневматическим барабаном и подбарабаньем ¿=10 мм; выходной зазор а = 6 мм; частота вращения накапливающего пневматического барабана п = 75 мин'1; глубина вакуума в нем 3 кПа; давление в полости нагнетания подающего пневматического барабана 0,2 мПа; сила действия поджимной ленты Р„ составляет 2,8—3,2 Н; расстояние до центра рассадодержа-теля / = 0,12 м; высота установки лекала рассадопосадочного аппарата при скоростях движения посадочного агрегата Нм: 1,37 км/ч — 0,25 м; 2,27 км/ч — 0,21 м; 3,17 км/ч — 0,17 м; 4,68 км/ч — 0,14 м

7 На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерно! о расчета, позволяющая определять основные параметры и режимы работы устройства для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату, исходя из физико-механических свойств посадочного материала

8. Изготовлен экспериментальный образец приспособления и проведены его предварительные испытания, в результате которых было установлено, что поштучная подача рассады выполняется в пределах 80—90%; ориентированная подача рассады 75—80%; производительность приспособления для автоматической подачи рассады без нарушения технологического процесса 30—120 шт./мин; повреждаемость рассады, влияющая на ее рост — менее 2 %.

9. Чистый дисконтированный доход от внедрения на площади 84 га составляет 98 232,5 руб., а дисконтированный срок окупаемости инвестиций 4,45 года, срок окупаемости инвестиций в 1,6 раза меньше срока службы машины.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1 Попов Г. В. Проблемы механизации посадки табака в поле / Г В. Попов // Научное обеспечение АПК : матер. IV регион, науч.-практ. конф. молод, ученых. — Краснодар : КГАУ, 2002. - С. 260—261.

2 Попов Г В. К вопросу определения координаты центра тяжести табачного растения рассадного периода / Г. В. Попов // Научное обеспечение АПК : матер. V регион, науч.-практ. конф. молод, ученых. -- Краснодар : КГАУ, 2003, —С 220—221.

3. Попов Г. В. Рабочие органы для автоматической посадки рассады табака в поле / Г. В. Попов // Научное обеспечение АПК : матер. VI регион, науч.-практ. конф. молод ученых. -— Краснодар • КубГАУ, 2004. — С 229—230.

4. Попов Г. В. Методика определения координаты центра тяжести табачного растения рассадного периода / Г. В. Попов, Е. И. Виневский // Производство пищевых продуктов в соответствии с требованиями концепции здорового питания и другие вопросы : матер. Всерос. науч.-практ. конференции. — Волгоград, 2004. — С. 349 —351. *

5. Попов Г. В. Механизация посадки рассады табака в поле / Е И. Виневский, Г. В. Попов // Научное обеспечение производства и промышленной переработки табака сб. науч. трудов — Вып. 176. — Краснодар, 2004. — С. 203 -205.

6 Пат 40834 РФ Яи 1Л 7А01С11/02. Устройство для крепления рассадо-держателя к посадочному диску / ГНУ ВНИИТТИ РАСХН; авг. Г. И. Ча-

ленко, Е. И Виневский, И. Б. Поярков, Г В. Попов, К. Г. Громов — За-явл. 21.05.2004, № 2004115242/20; Опубл. 10.10.2004, Бюл. № 28

7. Паг. 2265983 РФ С1 7А01С11/02. Автомат для подачи рассады к посадочному аппарату / ГНУ ВНИИТТИ РАСХН; авт. Г. В. Попов, Е И. Виневский, И.Б.Поярков. — Заявл. 11.05.2004, №2004114339/12; Опубл. 20.12.2005, Бюл. №35.

8. Попов Г В Параметры автоматической рассадопосадочной машины / Г. В. Попов, Е. И. Виневский // Совершенствование технологии производства и переработки продукции животноводства : матер. Всерос. науч,-практ. конференции —Ч. 1. — Волгоград, 2005. — С. 308—313.

9. Попов Г. В. Рабочий орган для автоматической подачи рассады в рассадо-держатели рассадопосадочного аппарата / Г. В. Попов, Е. И. Виневский // Проблемы повышения качества и безопасности табака и табачных изделий : матер. Всерос. науч.-практ. конференции. — Краснодар : ВНИИТТИ, 2005, —С. 173—187.

10 Попов Г. В Рекомендации по эксплуатации рассадопосадочных машин СКН-6 (СКНБ-4) / Г. В. Попов — М , 2005. - 9 с. - Деп. в ЦИИТЭИаг-ропром 03.10.2005. - - № 46 ВС-2005.

11 Попов Г. В. Обоснование параметров рабочих органов автоматической рассадопосадочной машины / Е. И. Виневский, Г. В. Попов // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки ■ матер, науч. конф факультетов механизации, энергетики и электрификации. -- Краснодар, 2005. — С. 53—56.

Подписано в печать 10.03,2006

Формат бОи.841/«, Заказ № 122

Объем 1,0 п. л. Тираж -100 экз

Бумага офсетная Офсетная печать

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" 350044, г Краснодар, ул им Калинина , 13

«

P-5895

í«

ВВЕДЕНИЕ.:.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.,.:.

1.1 Общие сведения о посадке рассады табака.

1.2 Технология посадки рассады табака.:.

1.3. Анализ работы рассадопосадочных машин.*„■,.

1.4 Обзор теоретических работ по рабочим органам рассадопосадочных машин.

1.5 Выводы и задачи исследований.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ

РАССАДЫ К ПОСАДОЧНОМУ АППАРАТУ.

2.1 Обоснование методики определения координаты центра тяжести рассады табака.

2.2 Теоретическое исследование технологического процесса и обоснование параметров рабочих органов отбора рассады из бункера накапливающим

• пневматическим барабаном.

2.3 Теоретическое исследование технологического процесса поштучной передачи рассады от накапливающего пневматического барабана к подающему пневматическому барабану и обоснование параметров.

2.4 Теоретическое исследование и обоснование параметра рабочего органа подачи рассады от подающего пневматического барабана к рассадодержателям.;.

2.5 Выводы.:.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Программа экспериментальных исследований.i.

3.2 Методика определения повторностей опытов.'.-.л.

3.3 Методика определения физйко-механических свойств табачных растений рассадного периода вегетации.

3.4 Методика проведения лабораторных исследований рабочих органов.

3.5 Методика проведения многофакторного эксперимента.,.'.

316 Методика определения затрачиваемой мощности.;.

3.7 Методика проведения полевых опытов и предварительных испытаний.

3.8 Методика математической обработки результатов исследований.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ

РАССАДЫ К ПОСАДОЧНОМУ АППАРАТУ.'.

4.1 Основные физико-механические свойства рассады табака.

4.2 Результаты поисковых опытов.

4.3 Оптимизация параметров рабочих органов для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

4.4 Результаты проведения полевых опытов и предварительных испытаний.;.

4.5 Выводы.

5 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ РАССАДЫ К ПОСАДОЧНОМУ АППАРАТУ.

5.1 Методика расчета рабочих органов.!.

5.2 Пример расчета рабочих органов для автоматической подачи рассады табака- • к рассадодержателям рассадопосадочного аппарата.•.

5.3 Рекомендуемые параметры рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ И РАБОЧЕГО ОРГАНА

ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ РАССАДЫ К ПОСАДОЧНОМУ АППАРАТУ.!.

6.1 Общие положения.:.

6.2 Расчет эффективности инвестиций в разработку приспособления для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

6.3 Выводы.•.

Главную роль в повышении производства сельскохозяйственной продукции играет растениеводство. При этом наряду с внедрением прогрессивных систем земледелия, новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур важное место занимает совершенствование механизированных технологий и систем машин, обеспечивающих качественное и своевременное выполнение полевых работ, сокращение потерь урожая, повышение плодородия почвы и снижение негативных экологических последствий (уплотнение Почвы, пести-цидная нагрузка и др.) [16, 44, 66, 86, 116].

Новые механизированные технологии, обеспечивающие устойчивое повышение производительности труда, в сельском хозяйстве, а также снижение затрат, энерго- и металлоемкости, являются сущностью научно-технического прогресса [19, 66, 86, 92].

Краснодарский край является наиболее благоприятным регионом России для возделывания высококачественного табачного сырья. Здесь исторически сложились зоны производства ценных сортов табака, качество которого йсегда высоко ценилось на потребительском рынке. На протяжении многих лет табак был одной из самых прибыльных сельскохозяйственных культур в хозяйствах южно-предгорной зоны Краснодарского края [61, 84].

Поскольку табак возделывается на бедных почвах, малопригодных для выращивания других сельскохозяйственных культур, производство табачного сырья в южно-предгорной зоне Краснодарского края имеет не только экономическое, но и социальное значение [2, 5, 19, 36, 84].

Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского . края совместно с Всероссийским научно-исследовательским институтом табака, махорки и табачных изделий была разработана программа «Производство табака и табачных изделий в Краснодарском крае» на 2004 — 2006 гг. Целью Программы является стабилизация работы отрасли табаководства и предприятий табачной промышленности в KpiacHO-дарском крае [61, 84].

Для достижения основной цели необходимо решить следующие задачи:

- увеличение объемов производства и переработки табака;

- создание собственной сырьевой базы для табачной промышленности;

- создание новых рабочих мест в сельскохозяйственном производстве, и предприятиях перерабатывающей промышленности и по реализации табачных изделий;

- увеличение доходов бюджетов всех уровней.

В ходе выполнения Программы предусматривается укрепление материально-технической базы хозяйств, занимающихся возделыванием табака,' его сушкой, ферментацией и промышленной переработкой [23, 84, 97, 100].

Важнейшую роль в производстве качественного табачного сырья играет процесс высадки рассады табака в поле, так как в этот период времени растение проходит важнейшие стадии вегетации. В 60—80 гг. прошлого столетия посадка раСсады табака в поле была, полностью механизирована, что позволило повысить производительность труда в 3,0—3,58 раза [23, 47, 53, 61, 74, 81, 93, 99]. Однако в настоящее время в России и странах СНГ машины для посадки рассады табака и овощных культур серийно не выпускаются, и хотя в хозяйствах их используют, срок их эксплуатации составляет от 10 до 25 лет [47]. Анализ результатов испытаний, производственных проверок и опыта эксплуатации машин, применяемых в настоящее время при посадке табака, показывает, что они имеют низкие технико-эксплуатационные показатели, так как коэффициент использования времени смены вследствие больших затрат времени на заправку машины водой для полива составляет 0,43—0,55 [5, 7, 8, 16, 44, 47, 66, 71, 74, 100].

Конструкции посадочных аппаратов отечественных и зарубежных машин неспособны работать без применения ручного вкладывания рассады, что является дополнительным фактором, ограничивающим их производительность. '

Существующие конструкции автоматических посадочных аппаратов позволяют лишь косвенно уменьшить затраты ручного труда, так как превращают процесс вкладывания рассады в рассадодержатели посадочного аппарата в технологический процесс зарядки кассет и различного рода накопителей [7, 13, 14, 29,30,31, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112].

Следовательно, из вышеизложенного вытекает необходимость изыскания и исследования технологии и рабочих органов для автоматической подачи рассады табака в рассадодержатели рассадопосадочного аппарата, что и является содержанием данной диссертационной работы.

Программа и методика экспериментальных исследрваний по теме «Совершенствование технологического процесса и оптимизация параметров рабочих органов машины для посадки рассады табака в поле» была рассмотрена методической комиссией и утверждена Ученым советом Всероссийского научно-исследовательского института табака и табачных изделий (ГНУ ВНИИТТИ) 30 января 2003 г.

Диссертация выполнена в соответствии: с тематическим планом научно-исследовательских работ ГНУ ВНИИТТИ РАСХН РФ 01.04.02 «Разработать научные основы ресурсосберегающих технологий возделывания табака, обеспечивающих повышение эффективности использования агроландшафтов, экологической безопасности агроценозов» (номер государственной регистрации 01200404896); а также государственными контрактами ГНУ ВНИИТТИ с Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края № 5.7./4-2003, № 5.9./12-2004 и № 5.9./12-2005 по теме «Разработка эскизного проекта и опытного образца приспособления к рассадопосадочной машине для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату».

В предлагаемой диссертационной работе представлены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований по изучаемой теме.

Цель диссертационной работы — исключение ручного труда при подаче рассады к посадочному аппарату, повышение производительности процесса высадки рассады табака в поле путем применения оптимальной схемы рабочего органа и рассадопосадочного агрегата.

Объект исследования — технологический процесс посадки рассады табака в поле с применением рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Предмет исследования — выявление закономерностей и условий эффективного функционирования рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Научная новизна. Получены зависимости режимов работы рабочего органа для автоматической подачи.рассады табака к посадочному аппарату от физико-механических свойств посадочного материала. Разработаны математиче^ ские модели и обоснованы параметры технологических операций и рабочего органа для автоматической подачи рассады'табака к посадочному аппарату. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2265983. (приложение А).

Практическая ценность работы. Предложены принципиально новый способ и рабочий орган для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату и разработаны исходные требования на приспособления для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Разработана методика инженерного расчета рабочих органов для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Результаты работы могут быть использованы в. научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при разработке перспективных способов и средств механизации посадки рассады овощных и технических культур с учетом особенностей сортов.

Реализация результатов исследований. Изготовлен экспериментальный образец рассадопосадочной машины с рабочим органом для подачи рассады табака к посадочному аппарату и проведены его предварительные испытания; разработаны исходные требования на приспособление для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату, утвержденные Ученым советом ГНУ «ВНИИТТИ».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (КубГАУ; 2002, 2003, 2004, 2005 г.); а также на конференции «Проблемы повышения качества и безопасности табака и табачных изделий» (ГНУ «ВНИИТТИ»; 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах, включая один патент на полезную модель № 40834 и один патент на изобретение № 2265983.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации: закономерности эффективного функционирования рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату; оптимальные параметры и режимы работы органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату; физико-механические свойства растений табака рассадного периода вегетации; методика инженерного расчета рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату; эффективность применения усовершенствованной технологии посадки рассады табака с использованием рассадопосадочной машины с приспособлением для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 125 наименований (в том числе 9 - на иностранном языке) и 16 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 36 таблиц.

1.5 Выводы и задачи исследований

Анализ современного состояния технологии и технических средств посадки рассадных культур позволяет прийти к следующим выводам:

1. Преимущество машинной посадки перед ручной заключается в том, что при высадке рассады машиной получается экономия рабочей силы в 3—4 раза, обеспечивается прямолинейность рядков, что очень важно для тракторной междурядной обработки высаженных культур. В настоящее время наиболее распространены полуавтоматические рассадопосадочные машины.

2. Несмотря на эффективность применения полуавтоматических рассадопосадочных машин, они имеет ряд недостатков, которые не позволяют- обеспечить агротехнические требования предъявляемые к процессу.

3. Ручная подача рассады, в захваты посадочного аппарата ограничивает производительность рассадопосадочной машины, а при шаге посадки более 30 см.резко возрастает напряжённость работы, следствием чего является неправильное вкладывание рассады в захваты.

4. Несмотря на большое разнообразие конструкций автоматических машин и их рабочих органов, они не нашли широкого применения, все попытки свелись ;к созданию экспериментальных образцов и их испытанию, что указывает на сложность процесса посадки рассады.

1. Однако, имеющие место механические устройства для автоматизированной посадки рассады, ввиду специфики посадочного материала, не могут быть жизнеспособными. . •

2. Исходя из поставленной цели, определим задачи исследований:

3. Изыскать технологическую схему рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату;

4. Теоретически обосновать технологический процесс и параметры рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату; •

5. Изучить физико-механичёские свойства растений табака рассадного периода вегетации;4: Оптимизировать параметры и режимы работы рабочего органа для подачи рассады к посадочному аппарату;

6. Разработать методику инженерного расчета рабочего органа для подачи рассады к посадочному аппарату;

7. Испытать и определить эффективность применения рабочего органа для подачи рассады табака к посадочному аппарату.

8. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ РАССАДЫ К ПОСАДОЧНОМУ АППАРАТУ

9. Обоснование методики определения координаты центра тяжести рассады табака21.1. Центр масс системы

10. Центром тяжести тела называется такая, занимающая относительно данного тела вполне определенное положение, точка, через которую всегда проходит линия действия силы тяжести данного тела.

11. Положение центра тяжести тела зависит только от формы тела и распределения в нем материальных частиц 75.

12. Совокупность материальных точек называется механической . системой материальных точек.

13. Рисунок 2.1 — Система материальных точек

14. В. нашем случае особое значение имеет геометрия точек С, называемая центром масс системы, положение которой задает радиусвектор 75.гс =