автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса уборки белокочанной капусты

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова

Дружкин Андрей Александрович

Совершенствование технологического процесса уборки белокочанной капусты

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

В.А.Чарушников, кандидат технических наук С.Н. Бабанский

На правах рукописи

Саратов 1999

РЕФЕРАТ

Диссертация изложена на 146 страницах. Содержит 6 таблиц, 54 иллюстрации, 17 приложений.

Ключевые слова: механизированная уборка, кочан, розеточные и покровные листья, кочерыга, полнота отделения листьев, листоудаляющий аппарат, упруго-гибкие очесывающие элементы.

Объект исследования - технологический процесс уборки белокочанной капусты без дополнительной доработки кочанов.

На основе анализа существующих способов и технических средств для уборки кочанной капусты в диссертации доказывается необходимость изыскания конструкции машины, позволяющей качественно выполнять работу по отделению розеточных и неплотно прилегающих покровных листьев с получением кочанов товарного вида.

Получены данные о физико-механических свойствах растений капусты. Даны материалы теоретических исследований рабочих органов листоудаляющего аппарата, в результате которых получены аналитические зависимости для определения их конструктивных параметров и режимов работы. Изложены основные методические положения и приемы, применяемые при исследованиях, даны результаты лабораторных исследований по выбору оптимальных параметров листоудаляющего аппарата.

Приведены результаты производственной проверки машины для уборки белокочанной капусты средне- и позднеспелых сортов, пригодных к механизированной уборке. Произведен расчет технико-экономических показателей, свидетельствующий о экономической эффективности применения предлагаемой машины.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса уборки белокочанной капусты и задачи исследований__9

1.1. Аналитический обзор существующих технологий и технических средств для уборки белокочанной

капусты________9

1.1.1. Качественные показатели, выявленные при анализе исследований некоторых технических средств, используемых при различных технологиях уборки_17

1.2. Заборно-срезающие механизмы капустоуборочных машин, преимущества и недостатки__ 18

1.3. Классификация конструкций рабочих органов заборно-срезающих устройств__21

1.4. Выводы по разделу__._24

1.5. Цель и задачи исследований___25

2. Исследование некоторых физико-механических свойств белокочанной капусты_26

2.1. Характеристика условий проведения исследований_27

2.2. Краткая характеристика изучаемых сортов ______27

2.3. Методика исследований и обработки экспериментальных данных_29

2.4. Результаты исследований физико-механических свойств белокочанной капусты, определяющих способ отделения листьев при предполагаемом способе уборки_33

2.5. Выводы по разделу___ 42

3. Теоретические исследования работы листоуда-ляющего аппарата капустоуборочной машины __43

3.1. Конструкция и технологический процесс работы предлагаемого листоудаляющего аппарата_43

3.2. Состояние исследований_ 46

3.3. Методика исследований _______, 48

3.4. Кинематика рабочих элементов листоудаляющего аппарата _____49

3.5. Анализ сил, возникающих при взаимодействии упруго-гибкого элемента с поверхностью кочана_62

3.6. Определение стрелы растяжения упруго-гибкого элемента при движении его по кочану______ 69

3.7. Выводы по разделу_______ 76

4. Лабораторные исследования работы очесывающих элементов листоудаляющего аппарата капустоуборочной машины__78

4.1. Методика исследований и обработки экспериментальных данных ,___78

4.2. Лабораторная установка____ 81

4.3. Результаты исследований_86

4.4. Выводы по разделу _90

5. Производственные испытания машины для уборки капусты ____91

5.1. Программа, методика исследований и обработки опытных данных____ 91

5.2. Устройство и технологический процесс экспериментальной капустоуборочной машины_• 95

5.3. Результаты производственных испытаний_101

5.4. Выводы по разделу_107

6. Экономическая эффективность применения

капустоуборочной машины с новым.листоудаляющим

аппаратом____ 108

6.1 Расчет стоимости машины__109

6.2. Прямые эксплуатационные затраты_111

6.3. Годовая экономия прямых эксплуатационных затрат_112

6.4- Срок окупаемости___112

6.5. Выводы по разделу_113

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ____ 114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ__116

ПРИЛОЖЕНИЯ____125

ВВЕДЕНИЕ

По данным статистики в рационе человека овощи составляют 17 процентов потребляемых продуктов. Для нормальной жизнедеятельности одному человеку в год в среднем необходимо примерно 135 кг плодов, овощных и бахчевых культур [1].

Капуста - одна из главных овощных культур. Основные ее виды происходят из Средиземноморья. Археологические раскопки свидетельствуют о том, что человек начал возделывать капусту со времен каменного и бронзового веков. Впервые кочанная капуста была выведена из листовой в Древнем Риме. У греков она служила символом трезвости, они приписывали ей способность исцелять от болезней и залечивать раны [2].

Под овощными культурами в 1997 году в Саратовской области было занято 13.1 тыс. га, из них капуста занимала 3.1 тыс. га, что составило 24% от общих посевных площадей, занятых овощными культурами. В секторе же коллективных хозяйств эта цифра достигла 45% [3]. Урожайность среднеспелых и позднеспелых сортов белокочанной капусты составляет 30-60 т/га [4].

Однако в последнее время тяжелое экономическое положение, уменьшение площадей, занятых овощными культурами, высокая трудоемкость при возделывании и уборке капусты сказались на снижении урожайности и валовом сборе этой культуры. Поэтому главным направлением на пути повышения ее производства является широкое внедрение промышленных технологий при возделывании, подбор сортов, пригодных для механизированного производства капусты, а также полная механизация ее уборки.

Наиболее трудоемкая операция при выращивании капусты -уборка урожая. Затраты труда на эту операцию технологического процесса составляют 60 - 70% общих затрат на ее возделывание [5].

Из этого следует вывод, что механизация процесса уборки капусты является необходимым условием перевода производства данной культуры на индустриальную основу. Только при соблюдении технологии возделывания капусты, способствующей качественной уборке ее машинами, возможно получение максимального экономического эффекта.

Существующие в данное время серийные машины для сплошной уборки капусты, такие как МСК-1 [6], КЕМ Е804А [7] и их модернизированные аналоги, не получили широкого распространения вследствие низкой технологической надежности, сложности конструкции и практической невозможности получения кочанов товарного вида при зачистке розеточных и неплотно прилегающих покровных листьев [5]. На данном этапе сельскохозяйственного машиностроения необходимо иметь машину, пригодную для уборки различных сортов белокочанной капусты, в первую очередь надежно выполняющую технологический процесс, исключающую применение ручного труда и обеспечивающую высокое качество среза и очистки кочана.

Основным препятствием на пути создания такой конструкции является недостаточное количество исходных теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для ее разработки.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- результаты аналитического обзора существующих технологий и технических средств для уборки белокочанной капусты;

- результаты исследований некоторых физико-механических свойств капусты;

- теоретические разработки, позволившие получить аналитические выражения для описания рабочего процесса и расчета конструктивных и режимных параметров листоудаляющего аппарата экспериментальной капустоуборочной машины;

- результаты расчетов экономической эффективности применения разработанной машины для уборки белокочанной капусты без дополнительной доработки кочанов.

Работа выполнена в 1996 - 1999 г.г. в Саратовском государственном аграрном университете имени Н.И.Вавилова (СГАУ).

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА УБОРКИ БЕЛОКОЧАННОЙ КАПУСТЫ

И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Аналитический обзор существующих технологий и технических средств для уборки белокочанной капусты

В результате анализа литературных источников, включающих в себя информацию о существующих технологиях и технических средствах для уборки капусты, было рассмотрено и исследовано несколько всевозможных классификаций [8,9,10,11,12,13], авторы которых обосновывают их по-своему.

В отечественной и зарубежной практике известны четыре основные технологии уборки белокочанной капусты: ручная, поточная, комбинированная и прямое комбайнирование [14].

Технология ручной уборки белокочанной капусты занимает основное место в процессе заготовки данной культуры в овощеводческих хозяйствах нашей страны, т.к. данный метод наиболее целесообразно применять на уборке ранних и неодновременно созревающих сортов капусты [15]. Однако этот способ малопроизводителен и требует большого количества рабочей силы, затраты труда составляют 7,92 чел.-ч на тонну продукции [16]. Трудоемкость операций по срубке, обработке и погрузке кочанов требует механизации данных процессов, что, в свою очередь, приведет к существенному снижению себестоимости продукции и даст ощутимую экономию денежных средств.

Имеющиеся технические средства, применяемые при технологии ручной уборки капусты можно представить как четыре группы приспособлений:

- для срубки [17,18];

- для погрузки продукции [25,26,27,28,29,30,31,32];

- для вывоза с поля [33,34];

- для товарной обработки [19,20,21,22,23,24].

Устройства внутри каждой группы отличаются друг от друга в основном лишь конструктивными решениями, такими как: способ соединения с энергетическим средством, ширина захвата, объем загружаемой продукции и т.д.

Наиболее перспективными на данном этапе времени являются поточная технология уборки капусты и прямое комбайнирование [35]. При применении поточного способа уборки машинами собирают весь биологический урожай в поле вместе с кочерыгами и зелеными листьями, а обработку кочанов и доведение их до товарного вида проводят на стационарных пунктах по доработке продукции. Для совершенствования поточного способа уборки капусты применяется комплекс машин, в состав которого входят два уборочных агрегата УКМ-2 [36] и стационарная линия послеуборочной обработки УДК-30 (рис 1.1), состоящая из секционного приемного бункера 1 и двух модулей по доработке продукции, каждый из которых включает раздаточный транспортер 14, столы доработки 13 с дообрезчиком кочерыг 12 и листоотдели-телями 11, лотки 10 для нестандартных кочанов. Под столами доработки установлены транспортеры отходов 9. Модули заканчиваются сводным столом 6 готовой продукции, транспортером-загрузчиком 7 и системой транспортеров для подачи капусты в хранилище 5. При необходимости загрузки стандартных кочанов в контейнеры пункт комплектуется контейнероподавателем 8, а при разделении отходов на пищевую и кормовую части в состав пункта включают стол 4 и погрузчик 3 листа. Привод осуществляется от эл.двигателей через пульт 2. Линию обслуживает 37 человек.

Широкое использование получил комплекс машин, состоящий из модернизированной капустоуборочной машины УКМ-2М [37]. Транспортера-загрузчика ТЗК - 30.01 овощной модификации с телескопиче-

ской стрелой или передвижной блочно-модульной линии для послеуборочной обработки продукции ЛПК-15 [38].

Рис. 1.1. Схема линии послеуборочной обработки капусты УДК-30: 1 - бункер; 2 - пульт; 3 - погрузчик листа; 4 - стол контроля; 5 - вы грузной транспортер; 6 - стол готовой продукции; 7 - загрузчик; 8 - контей-нероподаватель; 9 - транспортеры отходов; 10 - лотки нестандартных кочанов; 11 - листоотделители; 12 - дообрезчик кочерыг; 13 - столы доработки; 14- раздаточный транспортер.

Машина УКМ-2М (рис 1.2) включает раму 15, срезающий аппарат 10, выгрузной элеватор 3, поворотное дышло 12, опорные колеса 1 и гидрообъемный привод рабочих органов. Срезающий аппарат состоит из рамы 8, на которой соосно установлены прижимные барабаны 2 и качающиеся рамки 7. Последние посредством шатунов 5 связаны с лифтерами 9 и коленчатым валом 4, смежные шатунные шейки которого смещены относительно друг друга на 180 градусов. Передние концы лифтеров посредством телескопических подвесок закреплены на раме 8. В зазорах между качающимися рамками с перекрытием установлены ножи 6. Выгрузной элеватор имеет жесткую раму 19, с левой стороны которой закреплена шарнирная рама 18 вместе со сре-

зающим аппаратом, а с правой стороны смонтированы последовательно две шарнирные рамы 20 и 22, Перемещают эти рамы с помощью гидроцилиндров 17, 21, 24. На нижних рамах закреплено днище 23, а по их внешнему контуру на обводных звездочках - транспортерное полотно со скребками, выполненными в виде поперечных рамок и гибких элементов.

5 $ 7 & $

Рис. 1.2. Схема капустоуборочной машины УКМ-2М. 1 - опорные колеса; 2 - прижимные барабаны; 3 - выгрузной элеватор; 4 - коленчатый вал; 5 -шатуны; 6, 7, 8, 10 - срезающий аппарат; 9 - лифтеры; 11, 14, 17, 21, 24 - гидроцилиндры; 12,13 - система навески; 15, 16-основнаярама; 18, 19- рама элеватора; 20, 22 - шарнирные рамы выгрузного элеватора; 25 - выгрузные люки.

В днище выгрузного элеватора находятся откидные люки 25. Машина опирается на два опорных колеса 1 и поворотное дышло 12, шарнирно связанные с навеской трактора. Поворотное дышло - брус, закрепленный посредством дугообразной балки 13, горизонтального 11 и вертикального 14 гидроцилиндров на раме машины. Гидромоторы привода срезающего аппарата, выгрузного элеватора и гидроцилиндров питаются от автономных гидронасосов из общего бака. При движении машины вдоль рядков лифтеры поднимают кочаны и направляют их под прижимные барабаны. На качающихся рамках кочаны выравниваются, затем обрезаются ножами и подаются на выгрузной элеватор. Поперечные скребки и гибкие элементы увлекают ворох капусты по днищу в кузов рядом идущего транспортного средства. При этом шарнирная рама 20 устанавливается наклонно, а конец рамы 22 с помощью гидроцилиндра 21 регулируется по высоте в зависимости от уровня продукции в кузове. Машина также может укладывать кочаны в один валок с шести рядков. Для этого шарнирные рамы 20 и 22 переводят в горизонтальное положение. При первом проходе машины открывают первый от срезающего аппарата люк 25, при следующем - второй люк. При третьем же проходе кочаны выгружаются с конца рамы 22.

Линия ЛПК-15 (рис 1.3) обеспечивает прием капустного вороха, обработку, выделение и затаривание стандартных кочанов в контейнеры или загрузку в транспортные средства, а также укладку их в хранилище в бурты высотой до 2,5 метров. После выгрузки из бункера линии ворох поступает на загрузной транспортер 2. Рабочие, находящиеся перед обрезчиками по обе его стороны, просматривают и отбирают кочаны с удлиненной кочерыгой или с большим количеством кроющих листьев и ставят их в гнезда вращающегося диска обрезчика 4. Гнезда диска имеют фаску, которая фиксирует кочан, подсекая один

два листочка, и обеспечивает обрезку кочерыги при встрече ее с кочаном, неподвижно установленным вплотную под нижним диском в нерабочей зоне обрезчика. Обрезанная кочерыга падает на поперечный

Рис. 1.3. Схема линии послеуборочной доработки капусты ЛПК-15:1 - бункер; 2 - загрузной транспортер; 3 - шнекоеый листоотделитель; 4 - диск образчика; 5, 7, 8 - поперечные транспортеры; 6 - инспекционный стол; 9 -барабанный листоотделитель; 10- выгрузной транспортер.

транспортер 5, а кочан несколько позднее сталкивается отражателем с диском и по мягкому лотку с небольшой высоты падает на шнековый листоотделитель 3. Здесь надсеченные листья увлекаются эластичными пальцами в зазор между вальцами, а кочаны поступают на инспекционный стол 6, где рабочие (два-три человека) просматривают их, отбирают нестандартные (треснутые, больные, сильно поврежденные) и опускают на поперечный транспортер 7 нестандартной продукции. Далее при сходе капусты с инспекционного стола, на барабанном листоотделителе 9 отделяются оставшиеся свободные листья, которые посредством транспортеров 5, 7 и 8 поступают в транспортные средства.

По сравнению со стационарным пунктом УДК-30 линия ЛПК-15 позволяет снизить капиталовложения при уборке капусты поточным способом в 2-2,5 раза, потребность в транспортных тракторных агрегатах - в 2-4 раза, а количество рабочих, обслуживающих линию, сократить с 37 чел. (УДК-30) до 6 (ЛПК-15) [39]. Все это, несомненно, сказывается на себестоимости продукции.

Наиболее эффективный способ уборки капусты - "напрямую" (прямое комбайнирование), однако применение данной технологии затруднено в связи с отсутствием современных уборочных агрегатов, обеспечивающих высокий уровень качества конечной продукции.

Так, в настоящее вре�