автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса уборки подсолнечника обоснованием конструктивных и режимных параметров шнека-мотовила

.'гет^/...............

у/ На правах рукописи

005054 о"

Попов Михаил Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УБОРКИ ПОДСОЛНЕЧНИКА ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКА-МОТОВИЛА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

! 1 ДПР 2013

Саратов 2013

005051611

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Старцев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Механизация технологических процессов в АПК» ФГБОУВПО «Пензенская ГСХА» Ларюшин Николай Петрович

кандидат технических наук, профессор кафедры «Тракторы и сельскохозяйственные машины» ФГБОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» Михеев Николай Владимирович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«НИИСХ Юго-Востока» Россельхозакадемии.

Защита состоится 29 марта 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410012, Саратов, Театральная пл., 1.

'Автореферат разослан «27» февраля 2013 г. и размещен на сайте www.sgau.ru

Л

Ученый секретарь <

диссертационного совета ^—— C.B. Старцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Традиционно первостепенной масличной культурой является подсолнечник. Относительно высокая прибыльность этой культуры, растущие объемы переработки, экспортная привлекательность привели к тому, что в России посевные площади под подсолнечником в последние десятилетия постоянно расширялись.

В Поволжском регионе под возделывание подсолнечника отводится 1,5 млн га земель, что составляет треть всех площадей под посевами этой культуры в Российской Федерации.

Современные технические средства для уборки подсолнечника основаны на взаимодействии рабочих органов со стеблестоем посредством крючков и транспортеров - адаптеры ПСП (Falkom), НАШ, ПЗС, Geringoff, Oros, Gressoni, Quasar, G H2 и их модификации, при помощи захватов, установленных на трубном валу мотовила, - адаптеры ПС, Старт-Лифтер. Применяется также жатки с лопастным мотовилом, переоборудованным для уборки подсолнечника, приспособления с регулируемой направляющей пластиной и отрывающим вальцом (жатки Sunspeed). Зачастую многие приспособления, используемые при уборке подсолнечника, не полностью удовлетворяют агротехническим требованиям на потери семянок за жаткой. Кроме того, некоторые приспособления отличаются сложностью конструкции, повышенными материале и энергоемкостью, значительной стоимостью. Это делает невыгодным использование данных приспособлений в мелких фермерских хозяйствах и вынуждает переоборудовать под уборку подсолнечника жатки, оснащенные лопастным мотовилом.

Для повышения эффективности работы жатки комбайна при уборке подсолнечника необходимо уменьшить потери семянок за счет снижения ускорения движения корзинок, возникающего при скашивании стеблестоя, плавного захвата стеблей над днищем жатки так, чтобы над ним осуществлялось возможное осыпание семянок.

Разработка новых приспособлений для уборки подсолнечника, позволяющих снижать ускорение движения корзинок и осуществлять плавный захват стеблестоя с минимальными

потерями семянок, - важная задача, имеющая большое хозяйственное значение.

Степень разработанности. Разработана классификация приспособлений для уборки подсолнечника, агрегатируемых с зерноуборочными комбайнами, разработана конструктивно-технологическая схема шнека-мотовила и усовершенствован технологический процесс уборки, теоретически обоснованы закономерности, характеризующие влияние параметров шнека-мотовила на потери семянок за жаткой, уточнены физико-механические свойства стеблей и корзинок подсолнечника, проведена экспериментальная проверка работы шнека-мотовила.

Цель работы - повышение эффективности уборки подсолнечника путем снижения потерь семянок за жаткой, совершенствованием технологического процесса за счет разработки шнека-мотовила.

Научная новизна заключается в усовершенствовании технологического процесса уборки подсолнечника применением шнека-мотовила в виде трубного вала с двусторонней навивкой и Г-образными отсекателями, теоретическом обосновании зависимостей потерь семянок от его конструктивных и режимных параметров.

Теоретическая и практическая значимость. На основе исследований разработаны:

•технологический процесс уборки подсолнечника, снижающий ускорение движения корзинок при захвате рабочими органами шнека-мотовила стеблей таким образом,- чтобы корзинки находились над днищем жатки;

•уравнения динамики стебля, взаимодействующего со шнеком-мотовилом;

•математическое выражение для определения потерь семянок подсолнечника при уборке жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом.

•результаты исследования могут быть использованы при конструировании и совершенствовании приспособлений для уборки подсолнечника. Применение предлагаемого шнека-мотовила позволит снизить потери семянок подсолнечника до 0,63 % от биологической урожайности.

Объект исследований - технологический процесс уборки подсолнечника зерноуборочным комбайном с жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом.

Предмет исследований - влияние конструктивных, режимных параметров и параметров регулировки шнека-мотовила на потери семянок подсолнечника.

Методология и методы исследований. В методологию исследований входит системный подход, позволяющий раскрыть целостность объекта исследований и выявляющий взаимообусловленность связей между рабочими органами шнека-мотовила, физико-механическими свойствами подсолнечника и потерями семянок. Теоретические исследования были проведены методом математического анализа с использованием известных законов и методов механики в сочетании с математическим планированием экспериментов и получением уравнений регрессий. Экспериментальные исследования были выполнены методом дробного факторного эксперимента с применением теории вероятностей и математической статистики. Обработку результатов экспериментальных исследований осуществляли методом Неймана с определением коэффициентов полинома в среде Ма11аЬ.

Научные положения, выносимые на защиту:

• усовершенствованный технологический процесс уборки подсолнечника;

• конструктивно-технологическая схема уборки подсолнечника жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом (патент на полезную модель РФ № 72115);

• уравнения динамики стебля;

• аналитические зависимости потерь семянок от конструктивных и режимных параметров шнека-мотовила.

Реализация результатов исследований. Аналитические выражения, полученные при исследованиях, могут быть использованы в конструкторских бюро и организациях, занимающихся проектированием и производством технических средств для уборки подсолнечника. Опытный образец шнека-

мотовила испытан и внедрен в ИП «Глава К(Ф)Х Заикин Е.Б.» Балашовского района Саратовской области.

Степень достоверности и апробация работы. Теоретические исследования подтверждаются экспериментальными опытами с доверительной вероятностью 0,986. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2008-2013 гг.); на конкурсе «Развитие агроинженерных технологий в XXI веке» (Саратов, 2009 г.); на конкурсе научных проектов молодых ученых «Инновационная наука — молодой взгляд в будущее» (Саратов, 2009 г.); на Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009 г.); на Всероссийском конкурсе Российского аграрного движения «Лучший инновационный проект в сфере АПК» (Саратов, 2010 г.); на X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (М., 2010 г.); на конкурсе в рамках молодежного форума «Мы - молодой бизнес» в номинации «Лучшая бизнес-идея в сфере производства» (Саратов, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ. Общий объем публикаций - 3,51 печ. л., из которых 2,13 печ. л. принадлежит лично соискателю, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, патент на полезную модель № 72115.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 181 странице, содержит 74 рисунка, 17 таблиц, 11 приложений. Список литературы включает 137 наименований, в том числе 11 — на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» рассмотрены технологические схемы и приспо-

собления для уборки подсолнечника, проведен анализ их конструкций, определены основные недостатки. Установлено, что в настоящее время существуют четыре основные технологические схемы уборки подсолнечника: жаткой, оснащенной лопастным мотовилом; жаткой с транспортерами стеблей и семянок; жаткой с трубным мотовилом с захватами; жаткой с регулируемой направляющей пластиной. Наиболее эффективным для уборки подсолнечника с минимальными потерями семянок является приспособление, оснащенное транспортерами стеблей и семянок. Однако оно имеет сравнительно невысокую производительность - от 3 до 3,48 га/ч, сложную конструкцию, значительные материалоемкость и стоимость.

Изучением взаимодействия рабочих органов мотовила жатки со стеблестоем занимались Е.И. Трубилин, В.А. Абли-ков, М.А. Соколов, И.И. Байгузин, В.И. Горшенина, М.А. Гутров, К.Н. Граборов и другие ученые.

Однако проведенных исследований недостаточно для более точного моделирования процесса взаимодействия рабочих органов со стеблестоем подсолнечника.

На основании результатов анализа литературных источников и в соответствии с поставленной целью работы определены следующие задачи исследования:

• провести анализ существующих приспособлений для уборки подсолнечника и разработать их классификацию;

• обосновать конструктивно-технологическую схему шнека-мотовила жатки для уборки подсолнечника, обеспечивающую снижение потерь семянок;

• теоретически исследовать технологический процесс захвата стеблей и корзинок подсолнечника шнеком-мотовилом и получить аналитические выражения для определения потерь семянок от его конструктивно-режимных параметров;

• провести экспериментальные исследования потерь семянок подсолнечника от конструктивных и режимных параметров шнека-мотовила, уточнить физико-механические свойства стеблей и корзинок подсолнечника;

• провести производственные испытания шнека-мотовила и дать технико-экономическую оценку эффективности его использования.

Во второй главе «Теоретическое исследование процесса захвата стеблей и корзинок подсолнечника рабочими органами шнека-мотовила» приведена и обоснована технологическая схема уборки подсолнечника зерноуборочным комбайном с жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом (рисунок 1). Выведены динамические характеристики стебля подсолнечника: координаты центра масс, моменты инерции стебля. Математически определены моменты сил, действующих на стебель при его захвате рабочими органами шнека-мотовила, моменты тяжести стебля, момент силы воздействия отсекателя, моменты силы реакции и силы трения о стебель трубного мотовила и шнека-мотовила.

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема работы шнека-мотовила:

а - вид сбоку; б - вид сверху; 1 - зерноуборочный комбайн; 2 - жатка; 3 - шнек-мотовило; 4 -стеблестой подсолнечника; 5 — стеблеподъемники: 6 — отсекатели; 7 - навивка шнека-мотовила; 8 - режущий аппарат; 9 - шпек жатки

Работает приспособление следующим образом. Зерноуборочный комбайн 1 с жаткой 2, оснащенной шнеком-мотовилом 3, входит в стеблестой 4 подсолнечника стеблеподъем-никами 5, разделяя его по междурядьям. Захват стеблей осуществляется отсекателями 6 и витками навивки 7, в процессе чего происходит снижение ускорения движения корзинки м\орз

Уз

Хп =х-,

'Ус.

Рисунок 2 — Геометрическая схема стебля подсолнечника: Сь С2, С} -центры тяжести участков стебля /; Пи /!/

мем как усеченный конус):

и осуществляется наклон стеблей подсолнечника

навивкой к центру шнека-мотовила таким образом, что корзинки оказываются над днищем жатки. В результате этого осыпание семянок происходит на днище жатки. Стебли, которые не захватываются отсекателями 6, попадают под воздействие навивки 7, которая, захватывая стебли, также наклоняет их к центру шнека-мотовила.

В силу сложности геометрии стебля моменты его инерции определяли как суммарные: момент инерции участка стебля ОА, момент инерции дугообразного участка АВ и момент инерции корзинки В (рисунок 2).

Моменты инерции прямолинейного участка АВ (при-

1 2кт'

I. =—т,1: +-4

■VI

12

2К

] , л/и,

20 г;

Л/77,

/ =/ + — 2 •>1-1 -V,,„„

20 V!

0)

(2) (3)

где 1,1,1 - моменты инерции участка ОА относитель-

■VI х1г1 У1г1

но координатных осей, кгм2; т'2 ~ масса конической составляющей стебля, кг,

т'2 = тОА - 1Пу, (4)

тоА, гп1 - массы самого стебля и его цилиндрической составляющей, кг; К\, Я2 - радиусы нижнего и верхнего основания стебля (усеченного конуса), м; У2 - объем цилиндрической части, м3.

Для упрощения расчетов ввели промежуточные коэффициенты:

¡А

л—ь-

я,

где 1\ - длина прямого участка стебля, м.

Моменты инерции дугообразного участка стебля АВ (принимается как кривая переменной плотности):

кРп 1 313

* >2--: 16 ^ 2 1 3 1 4/2 / =/ +/ + (7)

^ "Т2~2 У!'-. 16 2 2 3 1 4/2 где к - коэффициент пропорциональности,

* =--, (В)

— +

X) - промежуточный коэффициент:

R -R

\=~-(9)

7C

m2 - масса дугообразного участка стебля АВ, кг; /2 - длина дуги переменной плотности, м. Моменты инерции корзинки В:

1х,=1^}+1^,=т3(=2+У2)' 0°)

7v, =/,Л =m3(x2+z2), (11)

= 7Vl +1 у,=т3(у2+х2), (12)

где тз - масса корзинки, кг; х, z - координаты центра тяжести корзинки, м.

Момент силы воздействия отсекателя (рисунок 3):

, ч {Н - L cosro )k(aL sinm cosB

M (/Г ) = —-_отс Tqtc''_отс Чртс ^ (13)

отс cosy

. ^ ч ч oíZ sinm cosa

MV(FJ = (H - ¿otccos9otc)/T( -^-+

cosy

+ <jk-oM6-®4tcCOS(Potc), (14)

M_ (jr J - (H~Loic C0S Фотс)'к ("комб - Ю ¿отс C0S Фотс) C0S P t (1 5)

OTC cosy '

где -^отс,,- С11Ла> вызванная поступательным движением отсекателя, Н, пропорциональная линейной скорости комбайна,

=*Чо„б, (16)

F0^=kcüL0TC, (17)

со - угловая скорость отсекателя, мин '; ¿отс - длина отсекателя, м.

Рисунок 3 — Момент силы воздействия отсекателя: А — конечная точка отсекателя; Л' — точка контакта отсекателя со стеблем; Ьотс- длина отсекателя, м; Н -расстояние от центра вращения трубного вала до плоскости режущего аппарата, м; фотс - угол поворота отсекателя, град.

На основании полученных уравнений моментов сил было определено линейное ускорение движения корзинки, возникающее при захвате стебля рабочими органами шнека-мотовила:

где й — линейное ускорение движения корзинки; и>3, и>_-, м>х —

ускорение движения корзинки по осям системы координат, м/с2;г_,гу,гх - радиусы-векторы от центра стебля к точке приложения силы, м; /, у, к - орты (единичные векторы).

Экспериментальным путем был получен диаметр трубного вала шнека-мотовила, обеспечивающий наименьшие потери семянок от линейного ускорения движения корзинок.

Потери семянок при работе шнека-мотовила:

^ = + %

^ ^ИЛП 7 о

где §вал и ^отс - потери семянок стеблестоя, попавшего на

шнек-мотовило без взаимодействия с отсекателями, и потери семянок стеблестоя, попавшего на шнек-мотовило при взаимодействии с отсекателями, %.

Потери семянок стеблестоя, попавшего на шнек-мотовило без взаимодействия с отсекателями ^вал (рисунок 4):

\ =

г 2 ('Л --Ц

| Ф стео г

IV лг Лутрс!И

стео стео~корз стео

Н, +.4 - "аЛ

()-|>а ри 'у

1 Ф

И „ - и

СТЕО Г

IV ЛУ £У™НЬ ^

стео стео "стео стео

Ь, (20)

где #о-ра- расстояние от поверхности почвы до плоскости режущего аппарата, м; 5ра- зазор между конечной точкой кромки

А,™

отсекателя и плоскостью режущего аппарата, м;

- радиус

трубного вала шнека-мотовила, м; Ф(х) — функция Лапласа; Лстеб _ высота стеблестоя, м; р и а - математическое ожидание и дисперсия распределения стеблестоя по высоте; 1¥сте5 - количество стеблей на 1 м2, шт.; ДУстеб — расстояние, которое проходит комбайн за промежуток времени между входами соседних отсекателей в стеблестой, м; С^*™'' — потери семянок

при ударе корзинки о трубный вал в зависимости от ускорения ее движения, %; - потери семянок при ударе стебля о

трубный вал в зависимости от ускорения движения корзинки, %; ¿//гстеб - переменная значения высоты стеблестоя, м; £ -длина шнека-мотовила.

а б

Рисунок 4 — Зависимость потерь семянок подсолнечника на 1 м2 %, от ускорения движения корзинки ^корз. м/с2, при ударе ее о трубный вал: а -удар корзинки; б - удар стебля; 1 - фрагмент трубного вала 0 0,32 м с витком

Явит= 0,15 м; 2 - фрагмент трубного вала 0 0,32 м без навивки; 3 - фрагмент трубного вала 0 0,38 м без навивки; 4 - фрагмент трубного вала 0 0,44 м без навивки; 5 - фрагмент трубного вала 0 0,5 м без навивки

Потери семянок стеблестоя, попавшего на шнек-мотовило без взаимодействия с отсекателями д(Утс:

% =

^отс

Н, +Л' + -вал — Д/г

О-рп ра 2 Ч>

Ф

И , - и

стео г

IV .5 и^М „ +

стео у~корз стео

// +Л' —ю-1-ди

О -ра ра 2 Ф

¿,(21)

Ф

17 - - Ц

стео г

IV .5 ,

стео у -стео стео

Н„ + Х + ~"л -АЛ

ч г» ф

где А/гф - расстояние от поверхности почвы до конечной точки кромки отсекателя, м; 5у - длина участка стеблестоя, захватываемая отсекателем, м.

Разложением уравнений (20) и (21) в ряд Тэйлора получаем математическое выражение для определения потерь семя-

нок в зависимости от конструктивных, режимных параметров и параметров регулировки шнека-мотовила для отсекателя с углом отгиба % = 140°:

4 = 191,0714 Л3 +105,9219 Х3ОТС +18,6993 Н]т +

+ 5,0377^к + 5,3661£р3а -452,6366Х2 +194,0936^тс +

+ 67,1829Н;т + 88,15,;иск + 93,83315р2а -137,5929^ +

+ 312,8909 ¿отс + 205,7994 #вит +1196,667 £шнек +

+ 1274,0855р, + 353,5767, (22)

где X - показатель кинематического режима работы шнека-мотовила; ¿„тс - длина отсекателя, м; Ити - ширина витка шнека-мотовила, м; 5шнек - зазор между конечной точкой кромки отсекателя и навивкой шнека жатки, м.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований и производственных испытаний» обоснованы факторы оптимизации, влияющие на потери семянок подсолнечника.

Следующими по значимости факторами были выбраны: ширина витка шнека-мотовила Нвт, показатель кинематического режима Я, зазор между конечной точкой отсекателя и плоскостью режущего аппарата &ра и зазор между конечной точкой отсекателя и навивкой шнека жатки 5шнек. Лабораторные исследования проводили на экспериментальной установке (рисунок 5), которая представляла собой опытный образец шнека-мотовила с отсекателями различной формы и длины (рисунок 6), и сменными сегментами, установленными на неподвижные сектора навивки. Для контроля параметров использовалась серийная измерительная аппаратура и оборудование.

8 5 4 2 3 6

Рисунок 5 - Экспериментальная установка: 1 - хедер ХС-5-1200; 2 - экспериментальный шнек-мотовило; 5 — трубный вал шнека-мотовила; 4 -неподвижный сектор шнека; .5 — съемный сменный сегмент; б - сменный отсекатель; 7 - стеблеподъемник; 8 - боковой фартук; 9 ~ шнек жатки

Рисунок 6 - Образцы отсекателей различной формы: 1 - прямой; 2 - Г-образный с углом отгиба 140°; 3 - ["-образный с углом отгиба 160°; 4 — дугообразный отсекатель

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены лабораторно-полевые опыты, которыми были изучены и уточнены физико-механические свойства стеблестоя подсолнечника:

• количественно-размерная характеристика растений подсолнечника: длина, высота стеблей, высота расположения корзинок, диаметры стеблей у основания, у корзинки, на расстоянии среза режущим аппаратом; угол наклона стебля;

• размерно-массовая характеристика корзинок: диаметр, угол пониклости, угол поворота к рядку, количество и масса семянок в корзинке, средняя масса одной семянки.

Представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в соответствии с разработанными методиками, дан их анализ. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей (рисунок 7, 8). Следуя результатам дробного факторного эксперимента, было установлено, что все выбранные факторы влияют на безвозвратные потери семянок.

Рисунок 7 - Зависимость потерь семянок подсолнечника Е, ,%- от длины отсекателя ¿отс, м, при X = 1,4—

1,7: _— экспериментальные значения;

____- теоретические значения

Рисунок 8 - Зависимость потерь семянок подсолнечника ¡;, %, от ширины витка Нтт, м, при X = 1,4-1,7;

_ - экспериментальные значения;

_ — теоретические значения

Зависимости влияния факторов дробного пятифакторного эксперимента на критерий — потери семянок подсолнечника — описываются уравнением регрессии:

%= 184,6а3 + 102,34I3 +8,067 Н3 + 4.867353 +

J отс вит шнек

+ 5,1846S3 -437.33А.2 + 187,53L2 +64,911 Н2 +

ра отс вит

+ 85,12152 + 90,6652 -132,94А, +302,3 IL +

шнек ра ' ' отс

+ 198,84Я +1156,25 +12315 +363,62.

вит шнек пя

ра

вит

шнек

отс

ра

вит

шнек

Методом градиентного спуска из всего массива опытных данных определяли точку оптимума (рисунок 9, 10). Значению ее соответствовали длина отсекателя Ьтс = 0,34 м; ширина витка шнека-мотовила Нвт = 0,15 м, зазор между конечной точкой кромки отсекателя и навивкой шнека жатки 5шнек, зазор между конечной точкой кромки отсекателя и плоскостью режущего аппарата 5ра. Из графической зависимости (см. рисунок 7) видно, что с увеличением показателя кинематического режима Я с 1,4 до 1,7 происходит снижение потерь семянок £ на 1 м2 убранной площади при длине отсекателя ¿отс = 0,34 м с 3,78 до 0,63 % от биологической урожайности. Уменьшение потерь семянок при увеличении показателя кинематического режима Я наблюдается и при других длинах и формах отсекателей. Так, при длине отсекателя Ьотс = 0,38 м, и увеличении коэффициента А наблюдается снижение потерь семянок с 5,11 до 2,08 %.

L,

■отс

0.34 1.4

Рисунок 9 - Зависимость потерь семянок подсолнечника £, %, от коэффициента X и длины отсекателя ¿отс, м

Из анализа графической зависимости (см. рисунок 8) следует, что оптимальным значением величины ширины витка следует считать Нтт = 0,15 м.

При этой ширине витка потери семянок подсолнечника на 1 м2 убранной площади являются минимальными и составляют 0,63 % от биологической урожайности, что соответствует техническому заданию на уборку подсолнечника, в котором потери за жаткой должны быть не более 2,5 %.

В пятой главе «Результаты производственных испытаний» представлены результаты технико-экономической проверки шнека-мотовила (рисунок 11).

Испытания проводили в ИП «Глава К(Ф)Х Заикин Е.Б» Балашовского района Саратовской области на посевах подсолнечника площадью 180 га.

По результатам производственной проверки годовой экономический эффект от использования шнека-мотовила составил 130 019 руб. за счет снижения потерь семянок по сравнению с базовым вариантом - жаткой, оснащенной лопастным мотовилом. Потери семянок при уборке подсолнечника жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом, составили 0,63 % от биологической урожайности.

Рисунок 1 1 - Производственные испытания шнека-мотовила: 1 - трубный вал; 2 — навивка; 3 - отсекатель; 4 - стеблеподъемники

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализом литературных источников по исследованиям технических средств для уборки подсолнечника установлено, что рабочие органы данных приспособлений несовершенны и приводят к потерям семянок более 1,5 % от биологической урожайности. Разработанная классификация позволяет определить, что возможное уменьшение потерь достигается использованием шнека-мотовила с навивкой и отсекателями, благодаря чему осыпание семянок подсолнечника происходит над днищем жатки.

2. На основании выполненного анализа и разработанной классификации предложена конструктивно-технологическая схема шнека-мотовила для уборки подсолнечника, включающего в себя трубный вал с двусторонней навивкой и отсекателями. Новизна устройства подтверждена патентом на полезную модель № 72115 (РФ).

3. Теоретическими исследованиями получены аналитические выражения, описывающие технологический процесс взаимодействия стеблей и корзинок подсолнечника с навивкой и отсекателями шнека-мотовила и установлено влияние конструктивных и режимных параметров на величину потерь семянок. Предлагаемое устройство шнека-мотовила, в сравнении с существующими техническими средствами позволяет уменьшить потери семянок в 2,1 ... 2,4 раза.

4. Экспериментальными исследованиями установлены регрессионные математические зависимости потерь семянок подсолнечника от ширины навивки Нвит, длины отсекателя Lome, при различных углах наклона рабочей части отсекателя к его основанию кинематического режима Л, зазор между конечной точкой кромки отсекателя и навивкой шнека жатки S»тек и зазора между конечной точкой кромки отсекателя и плоскостью режущего аппарата Spa. Минимальные потери семянок при уборке со шнеком-мотовилом с, = 0,63 % от биологической урожайности достигаются при: НГ1ит= 0,15 м; Lrjmc= 0,34 м, %= 140°; кинематическом режиме Х = 1,7; SMHeR = 0,025 м; S^ -0,025 м. Высота расположения корзинок 720 ... 1800 мм, величина пониклости 160 ... 520 мм.

5. Производственными испытаниями шнека-мотовила на уборке подсолнечника в ИП «Глава К(Ф)Х Заикин Е.Б.» Бала-шовского района Саратовской области установлено, что потери семянок подсолнечника при уборке жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом, составили 0,63 % от биологической урожайности по сравнению с лопастным мотовилом - 10,2 %, трубным мотовилом - 4,3 %. Годовая экономия эксплуатационных затрат составила 130 019 руб. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений составил 0,37 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Попов, М. Ю. Теоретическая зависимость потерь семянок подсолнечника от скорости движения комбайна, оснащенного шнеком-мотовилом / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Аграрная наука. — 2012. — № 2. - С. 31-32 (0,22/0,11 п. л.).

2. Попов, М. Ю. Исследование влияния режимных параметров шнека-мотовила на потери семянок подсолнечника при уборке / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Научное обозрение. - 2011. - № 6. - С. 131-136 (0,5/0,25 п. л.).

3. Попов, М. Ю. Экспериментальная зависимость влияния конструктивных параметров шнека-мотовила на потери семянок подсолнечника / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Научное обозрение. -2012. -№ 1.-С. 106-115 (0,92/0,46 п. л.).

Публикации в других изданиях

4. Попов, М. Ю. Технологические недостатки процесса уборки подсолнечника / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // «Вавиловские чте-ниия - 2007» : сб. науч. трудов / СГАУ им. Н.И. Вавилова. - Саратов,

2007. - С. 215-216 (0,24/0,12 п. л.).

5. Попов, М. Ю. Устранение потерь при уборке подсолнечника /

A. С. Старцев, М. Ю. Попов // Аграрная наука в XXI веке - проблемы и перспективы : сб. науч. трудов. - Саратов : Научная книга,

2008. - С. 132-135 (0,2/0,1 п. л.).

6. Попов, М. Ю. Анализ существующих средств для уборки подсолнечника / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова / СГАУ им. Н.И. Вавилова. - Саратов, 2008. -С. 133-137 (0,22/0,11 п. л.).

7. Попов, М. Ю. Конструкция мотовила для уборки подсолнечника / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Материалы Междунар. науч.-пракг. конф., посвященной 100-летию со дня рождения профессора

B. В. Красникова / СГАУ им. Н. И. Вавилова - Саратов, 2008. - С. 141-145 (0,24/0,12 п. л.).

8. Попов, М. Ю. Методика проведения экспериментальных исследований при эксплуатации шнека-мотовила / А. С. Старцев, М. Ю. Попов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова / СГАУ им. Н.И. Вавилова - Саратов, 2008. - С. 145-148 (0,22/0,11 п. л.).

9. Попов, М. Ю. Шнек-мотовило жатки для уборки подсолнечника / Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций, Саратов, 27-28 октября 2009 г. -Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - С. 80 (0,125 п. л.).

10. Попов, М. Ю. Вывод уравнения вращения шнека-мотовила с прямым отсекателем / М. Ю. Попов // Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства. - Саратов : Изд-во «КУБиК». - 2012. - С. 185- 195 (0,63 п. л.).

Патенты

11. Пат. 72115 Российская Федерация, МПК А 01 D 34/00. Шнек-мотовило специализированной жатки для уборки подсолнечника / Попов Ю. И, Попов И. Ю., Попов М. Ю„ Старцев А. С. - № 145819/22 ; заявл. 10.12.2007; опубл. 10.042008 г., Бюл. № 10. - 3 с.

Подписано в печать 25.02.13. Формат 60x84 '/)6. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100. 3аказ21513

Отпечатано с оригинал-макета в типографии ООО «Принт-Клуб» 410026, г. Саратов, ул. Московская 160. Тел.: (845-2) 508-617

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.И. ВАВИЛОВА»

042013561 23 На правах рукописи

ПОПОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УБОРКИ ПОДСОЛНЕЧНИКА ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ШНЕКА-МОТОВИЛА

Специальное гь 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат технических наук, доцент А.С. СТАРЦЕВ

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................... 5

1 Состояние вопроса. Цель и -задачи исследований............................... 1 1

1.1 Существующие технологические схемы уборки

подсолнечника....................................................................................... 1 1

1.2 Уборка подсолнечника жатками с лопастным мотовилом............ 12

1.3 Уборка подсолнечника жатками без мотовила, оснащенными лифтерами с транспортерами стеблей и семянок................................ 16

1.4 Уборка подсолнечника приспособлениями, оснащенными лифтерами, транспортерами стеблей и вибростолом.......................... 20

1.5 Уборка подсолнечника приспособлениями, оснащенными трубным мотовилом с захватами.......................................................... 20

1.6 Уборка подсолнечника жаткой, оснащенной направляющей пластиной и отрывающим вальцом...................................................... 23

1.7 Анализ новых разрабатываемых технологических средств

для уборки подсолнечника..............................................■....... 25

1.8 Сравнительный анализ и классификация технических средств

для уборки подсолнечника..................................................................... 32

1.9 Исследования взаимодействия рабочих органов жаток и приспособлений для уборки со стеблестоем подсолнечника............. 35

1.10 Выводы........................................................................... 38

2 Теоретическое исследование процесса захвата стеблей подсолнечника шнеком-мотовилом...................................................... 41

2.1 Технологическая схема работы жатки комбайна,

оснащенной шнеком-мотовилом.......................................................... 41

2.2 Устройство и принцип действия шнека-мотовила.............................. 42

2.3 Обоснование диаметра трубного вала шнека-мотовила..................... 44

2.4 Определение угла отклонения подвеса................................................ 46

2.5 Результаты лабораторно-полевых опытов по изучению осыпаемости корзинок подсолнечника в зависимости

от ускорения их движения........................................................................................................................................51

2.6 Уравнение вращения шнека-мотовила..................................................................................................55

2.7 Моделирование параметров стеблестоя..............................................................................................58

2.8 Участки захвата стеблестоя отсекателями......................................................................................60

2.9 Динамические характеристики стебля..................................................................................................60

2.10 Моменты сил как векторы,

действующие на стебель подсолнечника..........................................................................................67

2.1 1 Определение потерь семянок................................................................................................................................82

2.12 Теоретические выражения для определения потерь

семянок подсолнечника на 1 м2 убранной площади......................................................85

2.13 Выводы..........................................................................................................................................................................................................89

3 Методика экспериментальных исследований

и производственных испытаний........................................................................................................................90

3.1 Программа экспериментальных исследований........................................................................90

3.2 Методика лабораторно-полевых экспериментов................................................................90

3.3 Определение значимости выбранных факторов....................................................................97

3.4 Экспериментальная установка............................................................................................................................100

3.5 Методика проведения производственных испытаний............................................109

3.6 Методика обработки и корелляционного анализа

опытных данных..........................................................................................................................................................................110

4. Результаты экспериментальных исследований......................................................................1 15

4.1 Исследуемые параметры физико-механических свойств подсолнечника..................................................................................................................................................................................115

4.2 Характеристика условий исследования................................................................................................118

4.3 Результаты исследования физико-механических

свойств стеблестоя подсолнечника..............................................................................................................1 19

4 4 Резулыаты лабораюрно-полевых экспериментов 127

4 5 Опредепение оптимальных значений факторов оптимизации 128 4 6 Сравнение экснеримен 1альных и теоретических

зависимостей 132 4 7 Влияние конструктивных параметров шнека-мотовила

па потери семянок 135 4 8 Влияние параметров регулировки положения шнека-мотовила

на потери семянок 139

4 9 Влияние формы отсекатслей на потери семянок 142

4 10 Выводы 146 5 Результаты производственных испытаний шнека-мотовила 148

5 1 Основные технопогические показатели

производственных испытании 148 5 2 Технико-экономическая оценка использования

шнека-мотовила для уборки подсолнечника 154

5 3 Выводы 162

Заключение 163

Список литера!уры 165

Приложения 181

ВВЕДЕНИЕ

Главный критерий повышения жизненного уровня населения - увеличение производства продуктов питания на душу населения В последние годы среди них становятся всс более значимыми растительные масла и продукты на их основе. Практически в каждой семье растительное масло и его производные (маргарин, майонез) пользуются повседневным спросом [73, 1 19].

Современные достижения науки позволили получить сведения, подтверждающие огромную значимость растительных жиров для здоровья человека. Благодаря своему уникальному строению, биологическим свойствам растительные жиры оказываю1 сопротивление 1аким болезням века, как рак, диабет, ссрдсчно-сосудисшс заболевания и ряд других [66, 67, 1 19]. В своем составе они содержат moho-, поли- и ненасыщенные жирные кислоты, среди которых мононасыщенная олеиновая кислота - самая распространенная Важнейшая полиненасыщенная жирная кислота - линоленовая Ее называют незаменимой, пак как она не может быть синтезирована в организме человека. В составе ненасыщенных жирных кислот основное значение имеют пальмитиновая и стеариновая кислоты [53].

Подсолнечник - основная масличная культура, возделываемая в нашей стране. На его долю приходится до 70 % посевных площадей от всех масличных культур, до 80 % валового сбора семян и 90 % выработки растительного масла [116]

Один из основополагающих продовольственных рынков России - масложи-ровой, объединяющий почти 1500 предприятий страны, входящих в различные союзы и ассоциации.

Сырьевая база масложировой промышленности России представлена несколькими видами масличных культур. К основным из них относятся подсолнечник, соя, рапс. Их доля в площадях, занятых масличными культурами, в последние годы соствляла около 97 % Семена льна, горчицы, клещевины, рыжика, сурепицы производятся в относительно небольших объемах [29, 67, 124]

Традиционно первостепенной масличной культурой является подсолнечник. Относительно высокая прибыльность этой культуры, растущие объемы переработки, экспортная привлекательность привели к тому, что в России посевные площади под подсолнечником в последние десятилетия постоянно расширялись. В 1999 г. размер посевных площадей под подсолнечником по сравнению с 1990 г. вырос более чем в 2 раза. В 2000 г. эта культура была посеяна на 4,6 млн га, что на 16 % меньше, чем в 1999 г. Это было обусловлено правилами севооборота, а также тем, что хозяйства отвели большие площади под пшеницу, поскольку цены на зерно выросли [53].

Наибольшие объемы растительных масел (почти 90 %) производятся в Северо-Кавказском, Центрально-Черноземном и Поволжском экономических районах [116].

Однако реальная урожайность маслосемян подсолнечника в среднем по Саратовской области остается достаточно низкой - 0,51-1,23 т/га. Естественно, этот уровень урожайности не соответствует потенциальным возможностям современных сортов и гибридов и не отвечает возросшим потребностям сельскохозяйственного производства. Резкие колебания площадей и урожайности подсолнечника по годам приводят к определенным трудностям в стабилизации валовых сборов маслоссмян [116].

В Поволжском регионе под возделывание подсолнечника отводится 1,5 млн га земель, что составляет треть всех площадей под посевами этой культуры в Российской Федерации [1 16].

До последнего времени рост валовых сборов маслосемян подсолнечника обеспечивался в основном за счет роста посевных площадей. В настоящее время особое внимание уделяется разработке и совершенствованию интенсивных технологий возделывания подсолнечника с учетом особенностей зоны возделывания и сортов и гибридов [14].

В августе 2011 г. производство подсолнечного нерафинированного масла в России составило 124,016 тыс. т, что на 22,5 % меньше июльского показателя, на 5,4 % ниже объемов производства в августе 2010 г. В Поволжье почти все регио-

ны превзошли показатели 201 1 г. Саратовская область прибавила 37,2 %, Волгоградская - 42,2 %, Пензенская - 31,9 % [14].

Завершающим этапом всего технологического процесса возделывания подсолнечника является уборка [43]. От организации и качества уборочного процесса зависит, на сколько фактическая урожайность данной культуры будет меньше биологической [10, 42, 65, 102]. Показателями, характеризующими качество уборочного процесса подсолнечника в соответствии с техническим заданием, являются: потери семян за жаткой, повреждение семян (дробление и облущивание) и содержание сорных примесей в процентном отношении к биологической урожайности (см. рисунок) [98, 99, 100].

ґ \ Качество работы уборочного агрегата

V У

Потери семян за жаткой 6-2,1 % (по ТЗ - не более 2,5 %)

Потери семян за МСУ 0,14-1,45 %

У

Л /

Повреждение семян

1,1-5,6 % по ТЗ - не более 3 %

V

Содержание сорной примеси 4,15-10,6 %

Рисунок - Качественные показатели уборочного процесса подсолнечника

При этом суммарные потери зерна за уборочным агрегатом состоят из потерь за жаткой и потерь за молотилкой, т.е. той части семян, которая осыпается на землю. Потери за жаткой составляют 63-92 % от суммарных потерь уборочного агрегата.

Для повышения качества уборки подсолнечника и как следствие - снижения потерь семянок следует сводить к минимуму ударное воздействие рабочих органов жатки на стебли и корзинки подсолнечника, производить захват стеблей таким образом, чтобы осыпание семянок происходило не на землю.

Разработка рабочих органов жаток для уборки подсолнечника, обеспечивающих снижение потерь семянок, - актуальная задача, имеющая важное значение для сельского хозяйства.

В диссертации поставленная задача решается путем научного анализа и обоснования выбора технического решения, а также теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Настоящая диссертационная работа выполнялась с 2008 г. в Саратовском аграрном университете им. Н.И. Вавилова на кафедре «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК».

Цель работы - повышение эффективности уборки подсолнечника путем снижения потерь семянок за жаткой, совершенствованием технологического процесса за счет разработки шнека-мотовила.

Объект исследований - технологический процесс уборки подсолнечника зерноуборочным комбайном с жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом.

Предмет исследований - влияние конструктивных, режимных параметров и параметров регулировки шнека-мотовила на потери семянок подсолнечника.

Научная новизна заключается в усовершенствовании технологического процесса уборки подсолнечника применением шнека-мотовила в виде трубного вала с двусторонней навивкой и Г-образными отсекателями, теоретическим обоснованием зависимостей потерь семянок от его конструктивных и режимных параметров.

Теоретическая и практическая значимость. На основе исследований разработаны:

- технологический процесс уборки подсолнечника, снижающий ускорение движения корзинок при захвате рабочими органами шнека-мотовила стеблей таким образом, чтобы корзинки находились над днищем жатки;

- уравнения динамики стебля, взаимодействующего со шнеком-мотовилом;

- математическое выражение для определения потерь семянок подсолнечника при уборке жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом.

Результаты исследований могут быть использованы при конструировании и совершенствовании приспособлений для уборки подсолнечника. Применение предлагаемого шнека-мотовила позволит снизить потери семянок подсолнечника до 0,63 % от биологической урожайности.

Реализация результатов исследований. Аналитические выражения, полученные при исследованиях, могут быть использованы в конструкторских бюро и организациях, занимающихся проектированием и производством технических средств для уборки подсолнечника. Опытный образец шнека-мотовила испытан и внедрен в ИП «Глава К(Ф)Х Заикин Е.Б.» Балашовского района Саратовской области.

Степень достоверности и апробация работы. Теоретические исследования подтверждаются экспериментальными опытами с доверительной вероятностью 0,986. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:

- на научно-технических конференциях Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2008-2013 гг.);

- на конкурсе «Развитие агроинженерных технологий в XXI веке» (Саратов, 2009 г.);

- на конкурсе научных проектов молодых ученых «Инновационная наука - молодой взгляд в будущее» (Саратов, 2009 г.);

- на Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009 г.);

- на Всероссийском конкурсе Российского аграрного движения «Лучший инновационный проект в сфере АПК» (Саратов, 2010 г.);

- на X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (М., 2010 г.);

- на конкурсе в рамках молодежного форума «Мы - молодой бизнес» в номинации «Лучшая бизнес-идея в сфере производства» (Саратов, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 1 научных работ. Общий объем публикаций - 3,51 печ. л., из которых 2,13 печ. л. принад-

лежит лично соискателю, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, патент на полезную модель № 72115.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 181 странице, содержит 74 рисунка, 17 таблиц, 11 приложений. Список литературы включает 137 наименований, в том числе 1 1 на иностранном языке.

Научные положения, выносимые на защиту: -усовершенствованный технологический процесс уборки подсолнечника;

- конструктивно-технологическая схема уборки подсолнечника жаткой, оснащенной шнеком-мотовилом (патент на полезную модель РФ № 72115);

- уравнения динамики стебля;

- аналитические зависимости потерь семянок от конструктивных и режимных

N

параметров шнека-мотовила.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Существующие технологические схемы уборки подсолнечника

Современная технология уборки урожая подсолнечника основана на применении целого ряда приспособлений к зерноуборочным комбайнам, которые позволяют повысить качество уборочного процесса и производительность уборочной машины при минимальных трудо- и энергозатратах [5, 9, 43].

Период уборки урожая подсолнечника, зачастую, ограничен короткими сроками, что требует значительной производительности уборочных агрегатов. Поэтому от уровня технического оснащения уборочной машины зависит своевременность самого процесса и качество собранного урожая, что в значительной степени способно влиять на продуктивность производства конечной продукции подсолнечное масло и его производные) [5, 9, 43, 75].

Урожайность подсолнечника, как и качество его семян, зависит от природно-климатических условий, плодородия почвы, сортов, сроков уборки.

Установлены базисные нормы влажности семян, продаваемых государству: для южной зоны возделывания подсолнечника - 12 %, центральной - 13 %, восточной - 14 %, ограничительные - соответственно 15, 17 и 19 %.

Ограничительные нормы влажности семян, поставляемых на маслозаводы, составляют не менее 7 и не более 9 % [6 С. 195].

Главный критерий качества работы жатки - потери семянок за ней, которые не должны превышать норматив технического задания, соответствующий 2,5 % от урожайности [98, 99, 100].

Основываясь на конструкциях приспособлений для уборки подсолнечника, можно выделить пять технологических схем уборки данной культуры:

- жаткой с лопастным мотовилом;

- жаткой без мотовила, оснащенной лифтерами, транспортерами стеблей и семянок;

- приспособлениями, оснащенными лифтерами, транспортерами стеблей и вибростолом;

приспособлениями, оснащенными тр�