автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии и техническое средство для очистки сахарной свеклы в условиях повышенной влажности почвы

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ПАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 СЕН 2015

005561 ЭЬй Мичуринск - наукоград РФ, 2015 г.

005561965

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ)

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, доцент

Соловьев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Кухмазов Кухмаз Зейдулаевич,

доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего образования, ФГБОУ ВО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», кафедра «Технический сервис машин», заведующий

Мухин Виктор Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова», кафедра «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК», профессор

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное научное

учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара имени А.Л. Мазлумова»

Защита состоится «22» октября 2015 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс 8(47545)9-44-12, e-mail: dissov@mgau.ru.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» и на сайте www.ingau.ru, с авторефератом на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан " " 2015 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ,,

Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Сахарная свекла является одним из основных источников получения сахара в Российской Федерации. При соответствующих почвенных, климатических, погодных условиях и высокой агротехнике она способна обеспечивать урожайность до 70-80 т/га, а выход сахара может достигать до 10 т/га.

Одной из наиболее трудоемких операций при возделывании сахарной свеклы является уборка. По мнению Д. Шпаара свеклу можно считать спелой, когда она в течение нескольких дней затрачивает больше запасов энергии на дыхание, чем образует новые запасные вещества ассимиляцией. При определении сроков уборки нужно учитывать, что интенсивный рост корнеплодов и накопление в них сахара происходит со второй декады сентября. В условиях Центрального Черноземья данный срок наступает поздней осенью, который характеризуется ухудшением агрофизических свойств почвы (повышается влажность и липкость). В результате этого происходит залипание почвой выкапывающих и сепарирующих рабочих органов свеклоуборочных машин, ухудшаются возможности очистки корнеплодов, что резко снижает качество уборки.

Поэтому разработка высокоэффективного рабочего органа для очистки сахарной свеклы, адаптированного к условиям уборки в неблагоприятных погодных условиях, позволяющего снизить загрязненность выкопанных корнеплодов, неэффективные затраты на их транспортировку и предотвратить потери плодородного слоя почвы и гумуса, является весьма актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с перспективным планом НИР Мичуринского ГАУ на 2010-2015 гг. «Технологическое и энергетическое обеспечение сельского хозяйства», раздел «Совершенствование технологического процесса уборки сахарной свеклы при повышенной влажности почвы».

Степень разработанности темы. Вопросам механизированной уборки корнеплодов сахарной свеклы посвящены работы Ю.Б. Аванесова, Н.И. Кри-вогова, Н.П. Волосевича, А.Ф. Никитина, Ю.А. Тырнова, Л.В. Погорелого, В.В. Брея, И.А. Дробышева и других исследователей.

Проблемам повышения эффективности очистки корнеплодов сахарной свёклы путем применения щеточных рабочих органов посвящены труды ряда авторов: Ч.Е. Арданова, К.К. Адрианова, Г.Р. Винтерле, A.B. Дервиша, С.А. Найданова, В.И. Горшенина, В.Я. Кондратьева, В.М. Булгакова, C.B. Соловьева, В.А. Мухина, М.К. Дусенова, К.З. Кухмазова, и других ученых.

Однако, несмотря на большое количество различных технических решений по повышению эффективности очистки, возможности совершенствования данного процесса и технических средств в сложных погодных условиях полностью не исчерпаны и требует дополнительных исследований.

Цель исследований - повышение качества очистки корнеплодов сахарной свеклы щеточным очистителем путем разработки устройства для удаления с него налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажно-

сти.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач исследований:

1. Провести анализ существующих очистительных рабочих органов, выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей в период уборки при повышенной влажности.

2. Теоретически исследовать процессы налипания почвы на щеточные органы уборочных машин и разработать устройство для удаления налипшей почвы с них при уборке в неблагоприятных погодных условиях.

3. Экспериментально исследовать влияние конструктивно-режимных параметров рабочих органов для удаления налипшей почвы со щеточных барабанных очистителей на степень очистки корнеплодов и определить их оптимальные значения.

4. Провести производственную проверку экспериментальной установки для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя и определить технико-экономическую эффективность её использования.

Научная новизна:

- обоснована конструктивно-технологическая схема и конструкция устройства для очистки щеточного рабочего органа уборочных машин от налипшей почвы, при уборке сахарной свеклы в условиях повышенной влажности;

- получены аналитические зависимости, характеризующие закономерности взаимодействия рабочих органов разработанного устройства с ворсинками щеточного очистителя корнеплодов;

- разработана математическая модель процесса очистки щеточного очистителя корнеплодов предлагаемого устройства от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности;

- теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры устройства;

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2400048 «Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов».

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая часть работы заключается в разработке математических зависимостей и установлении влияния технологических и конструктивных параметров рабочих органов на процесс очистки щеточного устройства от налипшей почвы в условиях повышенной влажности.

Применение разработанного устройства позволяет снизить загрязненность выкопанных корнеплодов на 65...70%, неэффективные затраты на их транспортировку 438,4 руб./га, а также вынос плодородного слоя почвы и гумуса соответственно на 3,5 и 0,21 т/га по сравнению с серийными уборочными комбайнами при использовании их в условиях повышенной влажности.

Методология и методы исследований. Методология проводимых исследований основана на анализе патентной литературы, научных статей отечественных и зарубежных авторов, информационных изданий и книг научной и производственной тематики. Теоретические исследования выполнялись с использованием законов математики, физики, теоретической механики и аналитической геометрии. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях с использованием общепринятых методик в соответствии с действующими ГОСТами, а также с использованием планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической статистики, программ Microsoft Excel 2013 и «STATISTICА 10».

Положения, выносимые на защиту:

- уточненная классификация рабочих органов для очистки корнеплодов сахарной свеклы по новым классификационным признакам — по способу очистки рабочих органов и по способу воздействия;

- конструктивно-технологическая схема устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей при повышенной влажности;

теоретические зависимости определения конструктивно-технологических и режимных параметров разработанного устройства для удаления налипшей почвы с приводных цилиндрических щеток;

- математическая модель определения степени очистки корнеплодов от конструктивно-режимных параметров очищающего устройства;

- результаты экспериментальных исследований липкости и влажности почвы, скорости удара, расстоянию до места удара по ворсине, диаметра проволоки пружины;

- технико-экономическая эффективность использования разработанного устройства для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена многолетним периодом исследований, статистической обработкой экспериментальных данных методами дисперсионного и корреляционного анализов.

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Научно-практической конференции «Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области» (Мичуринск, 2004); Международной научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в развитие аграрной науки XXI века» (Рязань, 2004); Научно-практической конференции, посвящённой 55-летию инженерного факультета (Рязань, 2004); XIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции»//«Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в с.-х. производстве» (Тамбов, 2005); XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельско-

хозяйственной продукции»//« Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 2011); 62-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (Мичуринск-наукоград, 2010); Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск-наукоград, 2014).

Материалы настоящих исследований используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета.

По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 8,07 печ. л., из которых 4,57 печ. л. принадлежат лично автору.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 149 страниц, из которых на 123 страницах изложен текст работы. Список литературы включает 141 наименование, в том числе 11 источников - на иностранных языках. Работа иллюстрирована 9 таблицами и 76 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, приведены сведения о научной новизне, практической значимости, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» приведен анализ существующих средств механизации для уборки и очистки корнеплодов сахарной свеклы. Установлено, что наиболее перспективными являются машины и устройства, содержащие щёточный рабочий орган, который обеспечивает высокую степень очистки и копирования поверхности, надёжность в работе, требует малых затрат энергии, прост в изготовлении и обслуживании.

Исследованиям щеточных очистителей посвящены работы таких ученых, как К.К. Адрианова, Г.Р. Винтерле, A.B. Дервиша, С.А. Найданова, К.З. Кухмазова, В.А. Мухина, М.К. Дусенова, Г.Л. Карабана, В.И. Баловнева, С.И. Щербакова и других.

Анализ научных данных по изучаемой теме свидетельствует о её актуальности и целесообразности проведения дальнейших исследований. Для реализации эффективной технологии очистки были проанализированы средства механизации и составлена их классификация. Сделан вывод, что при уборке в условиях повышенной влажности на тяжелосуглинистых черноземных почвах очищающие рабочие органы применяемых свеклоуборочных комбайнов не отвечают предъявляемым требованиям по качеству очистки, вследствие забивания ворса щетки налипшей почвой. Поэтому для достижения высокого качества очистки ротационные щетки необходимо очищать от налипшей почвы.

Во второй главе «Теоретические исследования по обоснованию параметров и режимов работы устройства для удаления налипшей почвы

со щеточного очистителя» приведены конструктивно-технологическая схема устройства для очистки корнеклубнеплодов, теоретический анализ процесса его работы, обоснование конструктивно-режимных параметров.

Предлагаемое устройство (рисунок 1) имеет транспортирующий элемент 1, выполненный в виде лотков, отходящих от каждого выкапывающего органа для индивидуальной транспортировки корнеплодов от каждого рядка.

1 2 _ 1 А 5

-¿Э

<¿3

<¿3

<291

з

Виа а

1 - транспортирующий элемент; 2 - приводная цилиндрическая щетка; 3 - витая цилиндрическая пружина растяжения; 4 — кривошипно-шатунный механизм; 5 - кулисный механизм

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема очистителя корнеплодов

свеклы от загрязнений

Над транспортирующим элементом 1 установлены приводные цилиндрические щетки 2 с ворсинками. Над щетками расположена витая цилиндрическая пружина растяжения 3 из проволоки круглого поперечного сечения, ось которой расположена параллельно оси щеток. Один конец пружины закреплен к раме, а второй совершает возвратно-поступательное вибрационное движение вдоль оси щеток посредством кривошипно-шатунного 4 и кулисного 5 механизмов, что приводит к её самоочистке.

Очистка поверхности выполняется ворсинами щётки, которые счищают загрязнения при взаимодействии ворса с некоторым усилием по очищаемой поверхности.

При теоретическом обосновании усилий давления ворса щёточного очистителя задавались условием неповреждения корнеплода и определением

максимально допустимого диаметра ворсины при критической силе РКр, значение которой не должно быть больше той силы, при которой может повреждаться корнеплод, т.е. РКр < Роб:

- о>

где РКр- осевая нагрузка, при котором ворс будет терять устойчивость, Н; I - длина ворсины, м; Е - модуль упругости для материала ворса, Н/м2.

Общее усилие ворса Ро6 определяли, как результат двух составляющих сил: динамической Рд и статической Рс(рисунок 2):

Роб = РД + Рс■ (2)

жиной

Рисунок 2 — Расчетные схемы сил

Динамическая составляющая обусловлена скоростью вращения ворса и величиной момента его инерции. Её можно определить из следующего выражения:

Р =1— (3)

Гц 1 ¿с ^

где J - момент инерции ворса относительно оси вращения щёточного барабана,м4; — -величина углового ускорения ворса, рад/с2.

Значение статической составляющей зависит от геометрических размеров ворса и материала, из которого он изготовлен, а также от его деформации при взаимодействии с поверхностью корнеплода. Поэтому можно считать, что статическая составляющая пропорциональна углу закрутки ворса, т. е.

Рс = К-в. (4)

где К - коэффициент пропорциональности, учитывающий жёсткость и изменение условий контакта ворса с поверхностью, 0 - угол закрутки ворса, град.

По результатам расчётов определяли силу нормального давления ворса на поверхность Рк, Н.

п _ п У^-[1+Я(1-С05Д)]2

Пу ~ об-1 >

где / - расстояние до места удара, м; II — радиус барабана, м; угол поворота щёточного барабана, град.

Подставляя, вместо Роб его значение, получаем:

Р„ = {}% + К [агссоз1^0^ - /?]} ■ Тогда сила трения определяется как:

Р = f []% + К [arccosMZ£2££) _ р]}. (?)

где/- коэффициент трения ворса по поверхности прутка.

Подставив (6) в (1), получим значение диаметра ворсины:

ворс - I--• W

При теоретическом обосновании геометрических параметров пружины, требуется определить диаметр пружины D, который определяется по известной формуле:

D = i ■ dnp0B. (9)

где i — индекс пружины; dnpog - диаметр проволокп пружины, м.

Использование пружины в качестве очистителя позволяет ей самоочищаться посредством движения её витков вдоль оси щёток. Возможность самоочищения пружины будет происходить при определенной её жесткости за счёт упругих свойств посредством вибрации при её взаимодействии с вращающейся щёткой. Коэффициент жесткости пружины для обеспечения её вибрации и самоочистки должен быть ниже расчётного (формула 10). Таким образом, диаметр пружины будет зависеть конструктивно от диаметра щётки, расстояния от места крепления ворсинки до места удара по ней и жесткости пружины.

Критическое значение с 1кр жесткости пружины определяем по формуле:

с1кр = \ (mi + тг) (Ю)

^ 1кр

где (яц+тг) - масса пружины с KLL1M, кг; /кр - длина кривошипа, м; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для теоретического обоснования скорости удара ворсины о поверхность витка пружины, чтобы очистить её от почвы, необходимо знать и учитывать некоторые технологические свойства почвы. В рассматриваемом случае, к ним относятся липкость и фрикционные свойства почвы.

Для расчёта теоретической скорости, в соответствие с теорией удара и учитывая упругие свойства ворса щётки, её можно определить, как

Vy = V + Куи, (11)

где V" - скорость удара в момент касания ворса щетки с витком пружины для очистки, рассчитывается по формуле Vy" = шб- R, м/с, где шб = const - угловая скорость вращения щётки (с>б = 2*3,14*548/60 = 57,39 рад/с [С.А.Найданов]); R- расстояние от оси вращения

щеточного барабана до места удара, м; Уу" - скорость движения ворсинки в момент схода с корнеплода за счёт собственных упругих свойств, м/с.

Окончательно, теоретическую скорость удара определим, как

гв+— \arcsirv —1 Гу = Шб ■ луд -г-р- Ги (12)

где V - переносная скорость транспортера, м/с; ге - радиус траектории конца изгибающейся ворсины, м;/г - максимальная глубина погружения ворсины в массив загрязнения, м. Сопротивление скольжению, определяется как

Гобщ^тр+^/^ + Ро^ + Р'Л^ (13)

где Р - сила трения почвы по поверхности рабочего органа, Н,Рпр- сила прилипания почвы к материалу поверхности рабочего органа, Н, р — коэффициент удельного прилипания

при отсутствии нормального давления, Па; р~ коэффициент удельного прилипания, вызы-

2

ваемого нормальным давлением, Па; 5— видимая площадь контакта, м ; Ы— сила нормального давления, Н.

Теоретическая скорость удара Уут (11) должна быть равной или больше теоретической скорости удара по ворсине 1^,точ, необходимой для очистки её от почвы, т.е.

1уТ > ^ч (14)

Почва будет налипать на рабочую поверхность ворсины, если силы сцепления и трения между почвенными частицами или агрегатами движущегося пласта меньше, чем силы трения и прилипания между почвой и рабочей поверхностью, т.е.

(С0 + а ■ 1ап ф) • 5 < /Ы + р0 • 5 + р ■ /V • 5 (15)

2

где С0 — коэффициент сцепления почвы, (для чернозёма С0 = 6...9 Н/м ); а — нормальное давление (о =

На основании неравенства (15) можно определить теоретическую скорость удара ворсины по витку пружины, необходимую для очистки её от почвы

=---(16)

3 771 771 _

У/ = соб-Яуд + [ ^ - >-т 5л|Е,е (17)

Для определения диаметра проволоки для пружины, требуется вычислить площадь контакта между ворсиной и витком пружины. На основании основных формул механики контактного взаимодействия и, учитывая достаточно малое пятно контакта, введём следующее допущение - ворсину и проволоку пружины будем рассматривать, как контакт двух цилиндров (рисунок 3), перекрещивающихся под углом л/4, и в силу малой зоны контакта принимаем что оно образовывает круг.

1 — ворсина; 2 - виток пружины; а - область контакта; б - траектория движения ворсины при контакте с витком пружины; к - зона контакта на ворсине при движении по витку Рисунок 3 - Схема взаимодействия ворсины с витком пружины

Для определения силы трения, нужно определить нормальную силу и коэффициент трения. Нормальная сила определяется как:

N = ^Е*Й1/2с13/2. (18)

где N - нормальная сила, Н; Е' - приведенный модуль упругости; Й = -/йТ^г ~~ Гауссов радиус кривизны и Яг - радиусы соответственно сечения ворсины и витка пружины, м); глубина проникновения, м.

Область контакта а определяется:*! = V/? ■ (I. Так как ранее мы приняли, что область контакта (пятно контакта) — круг, то площадь контакта составит Б = тс • а2, м2. После преобразования, площадь контакта между ворсиной и витком пружины можно рассчитать по формуле: 5 = п ■ Я • й, м2. Глубину проникновения тогда определим, как:

£*=Л. (19)

тт-Я 4

Подставим определенные выше выражения в формулу (18):

" - з' ' ' у С«) ~ з' (1 '

( ^ \ _ 4____I К^ Б3

У

Окончательно получим:

и = ^ ■ -ГЪгтг- (21)

3 (1-г12)-Й2 + (1-1;!)■£-!

Сила трения при контактном взаимодействии между ворсиной и витком пружины:

Выразим из формулы (21) радиус проволоки для изготовления пружины Я2

Д = 55(4/Я1-Е2)^

Диаметр проволоки равен с/пров= 2/?г.

В соответствии с положениями, изложенными выше и на основании формул (9), (10), (23), определим основные конструктивные размеры очищающей пружины: с/пров = 4мм; в соответствии с конструктивными размерами щётки принимаем диаметр пружины О = 130мм, тогда жесткость пружины составит с\ = 130/4 = 32,5 « 450, что соответствует условию её самоочистки. Материал проволоки сталь 60С2А; 65С2ВА; 70СЗА по ГОСТ 14959.

В третьей главе «Методология и методика экспериментальных исследований» изложена общая программа и методика экспериментальных исследований.

В программу экспериментальных исследований входило: уточнить некоторые физико-механические свойства почвы и корнеплодов (влажность, липкость, коэффициенты трения, загрязненность); изучить влияние скорости удара по ворсине на степень её очистки; изучить влияние расстояния до места удара на ворсине на степень её очистки; исследовать зависимости степени очистки корнеплодов от: применения вида очистителя ворса щётки от налипшей почвы (динамичная пружина, статичная пружина, пруток), скорости удара по ворсу, расстоянию до места удара, диаметра проволоки пружины; оценить степень очистки корнеплодов при использовании различных режимов работы.

Наши исследования проводились при влажности почвы от 6 до 32% прибором для определения липкости почвы, аналогичным прибору конструкции ВИСХОМ путём отрыва штампа от поверхности образца почвы.

Прибор (рисунок 4) представляет собой площадку 1, на которой закреплена стойка 5. На стойке 5 установлен кронштейн и механизм перемещения 6, который позволяет изменять положение кронштейна в вертикальной плоскости по высоте. На кронштейне прикреплён тарированный динамометр 4, на который нанесены две шкалы измерений в Ньютонах и граммах. На площадке 1 установлен цилиндр 2, который заполняется почвой заданной влажности, куда помещался образец ворсины 3.

В нерабочем положении пружина динамометра 4 не растянута (отметка «0»), а штамп 3 прижат основанием к почве в цилиндре 2 (рисунок 4).

1 - площадка, 2 - цилиндр, 3 - образец ворсины, 4 - динамометр, 5 - стойка, 6 - механизм перемещения Рисунок 4 - Прибор для определения липкости почвы к ворсине

Для определения скорости и места удара, необходимого для отрыва почвы от ворсины, был изготовлен прибор, состоящий, из площадки 1, стойки 2, маятника 5, и циферблата 6. На площадке 1 укреплялась ворсина 3 с образцом почвы, определённой влажности и массы (рисунок 5).

/Ф™....."X

1 - площадка, 2 - стойка, 3 - ворсина, 4 - часть витка пружины, 5 - маятник, 6 - циферблат Рисунок 5 - Прибор для определения степени очистки ворсины от скорости и

места удара

Для определения степени очистки корнеплодов от почвы была изготовлена экспериментальная установка (рисунок 6). Она содержит сварную раму 1, имеющую прутковый транспортер 5. Транспортер приводится в движение посредством двигателя 2, передающего крутящий момент через муфту 3 на редуктор 4. Редуктор 4 имеет на выходном валу цепную передачу, которая передает вращающий момент на вал транспортера 5. Над транспортирующими элементами установлены два приводных цилиндрических щеточных барабана 7 с эластичным ворсом. Барабаны 7 установлены в стойках 6 и приводятся в движение посредством ременной передачи 8. Над первым щеточным барабаном расположена пружина 9. Для изменения положения пружины в вертикальной плоскости стойки 6 имеют отверстия.

1 - рама, 2 - двигатель, 3 - муфта, 4 - редуктор, 5 - транспортер, 6 - стойка, 7 - щёточный

барабан, 8 - ременная передача, 9 - пружина Рисунок 6 - Экспериментальная установка для исследования взаимодействия щёточного очистителя с пружиной и определения степени очистки корнеплодов

Для определения степени очистки корнеплодов от налипшей почвы нами проводился многофакторный эксперимент по плану Бокса-Бенкина. Для построения математической модели использовался пакет программ «STA-TISTICA 10».

Исследования производились в условиях ООО «Arpo Виста Тамбов» на выщелоченной тяжелосуглинистой черноземной почве влажностью 25...28%.

На основании теоретических исследований и поисковых опытов установлено что факторами, влияющими на степень очистки корнеплодов сахарной свеклы, являются: скорость удара, расстояние до места удара и диаметр проволоки пружины (материал проволоки сталь 60С2А, жесткость пружины

32,5 Н/м). Значение данных факторов и уровни их варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Факторы и уровни их варьирования при исследовании залипания приводных цилиндрических щеток влажной почвой_

№ п/п Уровень и интервалы варьирования Факторы

XI - скорость удара ворсины об виток пружины Кд, м/с хг - расстояние до места удара /, м хз - диаметр проволоки пружины А, м

2 Верхний уровень (+) 3,5 0,099 0,006

3 Основной уровень (0) 2 0,066 0,004

4 Нижний уровень (-) 0,5 0,033 0,002

5 Интервал варьирования 1,5 0,033 0,002

В четвертой главе «Результаты экспериментального исследования и их анализ» представлены результаты исследований некоторых физико-механических свойств почвы и оптимизации конструктивных и режимных параметров очищающего рабочего органа.

Зависимость степени очистки ворсины от скорости удара витка пружины по ней, от расстояния (высоты) витка до места удара, расстояния от места крепления ворсины до места удара представлена в виде номограммы (рисунок 7).

Рисунок 7 - Номограмма для определения оптимальных параметров места удара по ворсине (выделенная зона для степени очистки 90...98%)

Анализ зависимостей позволил установить, что при увеличении высоты расположения центра масс маятника, увеличивается и скорость удара по ворсине.

Анализ зависимости степени очистки ворса от скорости удара показывает, что при увеличении скорости удара по ворсине, увеличивается степень ее очистки. При скорости, равной от 0 до 1,7м/с степень очистки увеличивается до 40%. С увеличением скорости более 1,7м/с, происходит увеличение степени очистки — до 65% и выше, при скорости более 2,5 м/с - происходит наиболее полная очистка ворсины щётки от налипшей почвы.

Анализ зависимости показывает, что наиболее эффективное очищение ворсины от налипшей почвы (90...98%) происходит при приложении удара на расстоянии от 40 до 78 мм от места крепления ворсины при длине ворсины 100 мм.

В результате проведенных исследований влияния конструктивных параметров было получено уравнение регрессии для определения степени очистки корнеплодов сахарной свеклы: у=70,25+21x1-29,5х2-2хз+5,8х12+17г37х22+1,87хз2-11,5Х1Х2-0,5Х1ХЗ-0,5X2X3 где X] - скорость удара ворсины об виток пружины Куд, м/с х2 - расстояние до места удара /, м Хз - диаметр проволоки пружины с1, м

Проанализировав полученные данные поверхностей отклика, установлено, что при увеличении скорости удара от 2,9 м/с и расстоянии до места удара от 0,035 до 0,058 м, степень очистки ворса вырастает на 90% и более.

На рисунке 8 представлена графическая интерпретация зависимости степени очистки корнеплодов от указанных выше факторов.

Степень очистки корнеплодов, %

я ^ з.о

S.JE

о >

5 | w

es .

о Я 1 &

, \ V

45$:

KssS

\ \5

ш

и

/

/

¡i ш!п у/i i vm

J¡¡lili--.

0,05 00S 90? 008 0.05

Расстояние до места удара /, м

-64 54 -44

- 34

- 24

Рисунок 8 — Двухмерное сечение зависимости степени очистки корнеплодов от скорости удара ворса по виткам пружины и расстояния до места удара

Таким образом, качественное выполнение технологического процесса достигается при следующих значениях: расстояние до места удара 35...58 мм, скорость удара ворсины об виток пружины 2,9...4,2 м/с и диаметр проволоки пружины 2,7...4,2 мм, изготовленной из стали 60С2А жесткостью 32,5 Н/м.

Опытно-производственную проверку разработанного устройства проводили в ООО «Агро Виста Тамбов» Никифоровского района Тамбовской области и КФХ «Ивушка» Петровского района Тамбовской области. Почва -выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем, влажность 25. ..28%.

В пятой главе «Оценка эффективности использования устройства для удаления налипшей почвы со щеточного очистителя при уборке в условиях повышенной влажности» приведен расчет экономической эффективности применения предложенного устройства для очистки корнеплодов в сравнении с базовым, не оборудованным очищающей пружиной.

Расчеты показывают, что применение устройства для очистки ворсинок приводных цилиндрических щеток от налипшей почвы при повышенной влажности позволило сократить сроки уборки на 5 дней, при этом экономия энергетических средств от прироста урожая составила 20250...35250 МДж, а годовой энергетический эффект - 8325... 14725 МДж при значениях коэффициента энергетической эффективности 2,53...4,48.

Кроме того, использование предложенного устройства позволит снизить безвозвратные потери плодородного слоя почвы с 5 до 1,5 т/га, гумуса с 0,3 до 0,09 т/га и снизить неэффективные затраты при транспортировке урожая с 626,3 до 187,9 руб./га.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ известных очищающих рабочих органов, применяемых на серийных образцах свеклоуборочных машин, показал, что при уборке сахарной свеклы в неблагоприятных погодных условиях снижаются качественные показатели работы очистки уборочных машин. Уточненная классификация рабочих органов позволили разработать способ для очистки корнеплодов от налипшей почвы (патент РФ №2400048) и предложить конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей, удовлетворяющего агротехническим требованиям.

2. Теоретические исследования процесса налипания почвы на ворсину и рабочий процесс очистки корнеплодов позволили разработать щеточный очиститель и устройство в виде пружины для удаления с него налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности. Получены аналитические зависимости для определения:

- сил, действующих на пружину со стороны вращающейся щётки с учетом физико-механических свойств и конструктивных параметров ворса;

- диаметра ворсины щеточного очистителя, при котором она очищается в результате контакта с витком пружины;

- скорости удара ворсины по витку пружины, необходимой для очистки её от налипшей почвы;

- силы трения при контактном взаимодействии между ворсиной и витком пружины;

- диаметра пружины в зависимости от приложенной нормальной силы.

3. Экспериментальными исследованиями установлено влияние влажности на липкость почвы к ворсине, скорости удара и расстояния до места удара по ворсине на её степень очистки. Результаты испытаний показали, что при исходной загрязненности корнеплодов 37,8% и средней влажности почвы 24%, применение очистителя выполненного в виде пружины, изготовленной из стали 60С2А жесткостью 32,5 Н/м и шагом витков 35 мм, позволяет снизить загрязненность до 7%.

4. При проведении экспериментальных исследований определены оптимальные значения конструктивных параметров установки: диаметр щётки - 260 мм, диаметр пружины - 130 мм, диаметр проволоки пружины -2,7...4,2 мм, расстоянии до места удара 35...58 мм (при длине ворсин 100 мм), скорость удара 2,9...4,2 м/с. Исследования позволили установить, что при данных оптимальных значениях параметров очищающего устройства, степень очистки корнеплодов составила около 90%.

5. Результаты производственных испытаний устройства для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя показали, что при очистке корнеплодов сахарной свёклы с исходной загрязненностью 25...30% и влажностью почвы 28...32%, степень очистки корнеплодов составила 85...89%. Применение разработанного очищающего устройства позволит получить годовой экономический эффект в размере 709 937... 1 255 715 руб. при сроке окупаемости 0,4...0,22 года, снизить неэффективные издержки на 438,4 руб./га и снизить безвозвратные потери плодородного слоя почвы с 5 до 1,5 т/га, гумуса с 0,3 до 0,09 т/га.

Рекомендации. Применение разработанного очищающего устройства позволит: обеспечить уборку в неблагоприятных погодных условиях, повысить эффективность грузоперевозок и снизить потери урожая, уменьшить нагрузку на машины и снизить расход воды при мойке и переработке сахарной свеклы из-за уменьшения содержания почвенных примесей.

Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров щеточных очищающих устройств на стадии проектирования, в учебном процессе - студентами, аспирантами и научными сотрудниками.

Перспектива дальнейшей разработки темы: совершенствование технологий и средств механизации очистки сахарной свеклы при уборке в неблагоприятных погодных условиях.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кузнецов, П.Н. Усовершенствованная технология возделывания и уборки сахарной свеклы в условиях Тамбовской области / П.Н. Кузнецов, В.И. Горшенин, C.B. Соловьёв, А.Г. Абросимов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2014. - №6. - С. 54-57.

2. Кузнецов, П.Н. Совершенствование степени очистки корнеплодов сахарной свеклы путём применения щёточного очистителя в условиях Тамбовской области / П.Н. Кузнецов, C.B. Соловьев // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2015. - №1. - С. 162-167.

3. Кузнецов, П.Н. Оценка эффективности использования устройства для удаления налипшей почвы со щеточного очистителя при уборке в условиях повышенной влажности / П.Н. Кузнецов, В.И. Горшенин // Научное обозрение. - 2015, № 8 С. 19-22.

б) патенты

4. Пат. 2400048 Российская федерация, МПК A01D91/02. Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов. // Горшенин В.И.; Кузнецов П.Н.; Соловьев C.B.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» - 2009118189/12; заявл. 13.05.2009 опубл. 27.09.2010, Бюл. №27. -4 е.: ил.

в) в монографиях и рекомендациях

5. Кузнецов, П.Н. Использование устройств для транспортировки и очистки корнеклубнеплодов в условиях центрального Черноземья РФ /: Рекомендации. Учебное издание / Соловьёв, C.B., Горшенин, В.И., Кузнецов, П.Н. - Мичуринск-наукоград.: Издательско-i юл «графически й центр ФГБОУ ВПО «МичГАУ», 2013.-21 е., ил.

г) в других изданиях

6. Кузнецов, П.Н. К вопросу о сепарации корнеплодов сахарной свёклы при уборке / П.Н. Кузнецов // Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области: Материалы науч.-практич. конф. (17-18 ноября 2004 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. - Мичуринск: Изд.-во МичГАУ, 2004. - С. 213-215.

7. Кузнецов, П.Н. Анализ средств механизации для очистки сахарной свёклы при уборке / П.Н. Кузнецов // «Вклад молодых учёных в развитие аграрной науки XXI века»: Материалы международной науч.-практич. конф. (2-3 марта 2004 г.) / Рязанская гос. с.-х. академия им. проф. П.А. Костычева. - Рязань РГСХА, 2005. -С. 188-190.

8. Кузнецов, П.Н. Совершенствование механизации очистки корнеплодов свёклы при уборке / П.Н. Кузнецов // Сборник научных трудов посвященный 55-летию инженерного факультета / Рязанская гос. с.-х. академия им. проф. П.А. Костычева. - Рязань РГСХА, 2005. - С. 147-149.

9. Кузнецов, П.Н. Обоснование выбора рабочего органа для очистки корнеплодов свёклы при уборке в условиях повышенной влажности / В.И. Горшенин., П.Н.

Кузнецов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции // Сборник научных докладов ХШмеж-дународной науч.-практич. конф. «Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в с.-х. производстве (15-16 сентября 2005 г., г. Тамбов) / Мин. с.-х. РФ, Рос. акад. с.-х. наук, ГНУ ВНИИМССХ, ГНУ ВНИИМЖ, ГНУ ВНИИТИН. - Тамбов, 2005. - С. 225-234.

Ю.Кузнецов, П.Н. Определение параметров щёточного очистителя для очистки корнеплодов свёклы в условиях переувлажнённой почвы / П.Н. Кузнецов, З.К. Кузнецова // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. -2006,-№2.-С. 197-200.

11. Кузнецов, П.Н. Способ очистки корнеплодов сахарной свёклы в условиях переувлажненной почвы / П.Н. Кузнецов // 62-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов: сб. науч. трудов (25 - 26 марта 2010 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. - Мичуринск: Изд.-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2010. - С. 98-100.

12. Кузнецов, П.Н. Методика экспериментального определения ударного импульса необходимого для отрыва образца почвы от рабочей поверхности / П.Н. Кузнецов // 62-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов: сб. науч. трудов (25 - 26 марта 2010 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. - Мичуринск: Изд.-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2010. - С. 101-104.

П.Кузнецов, П.Н. Обоснование конструкции очистителя рабочих органов свеклоуборочной техники в условиях переувлажненной почвы / П.Н. Кузнецов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции // Сборник научных докладов XVI международной науч.-практич. конф. «Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства (20-21 сентября 2011 г., г. Тамбов) / Мин. с.-х. РФ, Рос. акад. с.-х. наук, ГНУ ВНИИМССХ, ГНУ ВНИИМЖ, ГНУ ВНИИТИН. - Тамбов, 2011. -С. 57-61.

14. Кузнецов, П.Н. К вопросу об очистке корнеплодов сахарной свеклы при уборке //П.Н. Кузнецов, В.И. Горшенин //Материалы 65-й научно-практической конференции студентов и аспирантов 26-28 марта 2013г. / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. - Мичуринск: Изд.-во МичГАУ, 2013. - С. 150-154.

15. Кузнецов, П.Н. Оптимизация параметров рабочего органа для очистки корнеплодов сахарной свеклы /П.Н. Кузнецов, М.А. Мягкова //Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК. Материалы Международной научно-практической конференции 23-25апреля 2014г. / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. - Мичуринск: Изд.-во МичГАУ, 2014. - С. 40-44.

16. Кузнецов, П.Н. Методика и результаты исследования загрязненности корнеплодов в условиях Тамбовской области //П.Н. Кузнецов, Н.И. Бабайцева //Материалы 67-й научно-практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (II раздел) 18-20 марта 2015г. / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. -Мичуринск: Изд.-во ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ, 2015. - С. 210-215.

Отпечатано в издательской-полиграфическом центре Мичуринского ГАУ Подписано в печать 20.07.2015г. Формат 60x84 шг., бумага офсетная №1. Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Ризограф заказ №18523