автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

На правах рукописи

Костенко Михаил Юрьевич

Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

4843963

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Рязань-2011 1 4 «I! 20

4843963

Работа выполнена на инженерном факультете ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор В.Ф.Некрашевич (ФГОУ ВПО РГАТУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.А.Макаров

ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии доктор технических наук, профессор В.И.Старовойтов

ГНУ ВНИИКХ Россельхозакадемии доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.А.Цымбал ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии

Ведущее предприятие: ГНУ ВИМ Россельхозакадемии

Защита состоится «26» апреля 2011 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1, ФГОУ ВПО РГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Автореферат разослан

Ж №

2011 года.

Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru/ruydissertation/.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

У

Шемякин А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В мировом производстве картофеля задействовано около 18 млн. га посадочных площадей. Свыше 40% мирового производства сосредоточено в Китае, Индии и России. В Российской Федерации в 2009 году картофель выращивали на площади 2,2 млн. га, валовой сбор составил 31,1 млн. т при средней урожайности 14,1 т/га.

Принятая в Рязанской области региональная программа «Картофель» на 2009-2012 годы дала импульс развитию картофелеводства. В 2009 году в сельхозпредприятиях и крестьянских фермерских хозяйствах Рязанской области картофель был размещен на площади 5,6 тыс. га (плюс 2,1 тыс. га к 2008 году). В этих хозяйствах собрано 126,4 тыс. тонн, урожайность составила 23,81 т/га. Во всех категориях хозяйств собрано 450,3 тыс. тонн картофеля (плюс 66,7 тыс. тонн к 2008 году).

При уборке картофеля в дождливую и холодную погоду и при невызревших клубнях, наносятся значительные механические повреждения -нередко до 40-60% и более, в связи, с чем снижается его качество и лежкость при хранении. Даже при удовлетворительных условиях потери урожая картофеля достигают 25-30%. Из них при механизированной уборке - до 13 %, при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке - до 5-9 %, и при хранении и сортировке - до 7-10%.

Цель исследований. Повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.

Объект исследований. Технологии производства картофеля, картофелеуборочные машины и их рабочие органы, свойства компонентов картофельного вороха, способы оперативного контроля качества уборки картофеля.

Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов рабочих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля.

Методика исследования. Теоретический анализ работы подкапывающих и сепарирующих рабочих органов и способов контроля качества уборки картофеля проведены с использованием методов теории вероятностей и механико-математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием частных и отраслевых методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. При обработке результатов исследований использовалась программа «8ТАТ18Т1СА». Оценка полевых испытаний

картофелеуборочных машин и способов контроля повреждений клубней картофеля проводилась согласно ОСТ 10.8.5 -87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочно" обработки картофеля. Программа и методика испытаний».

Научная новизна работы представлена: совокупностью технологически приемов, образующих технологию уборки картофеля в сложных полевы условиях, включающую подкапывание клубненосного пласта с применение приводных подкапывающих рабочих органов; сепарацию с применение элеваторов, оснащенных активными прутками и активаторами; систе) оперативного контроля технологического процесса картофелеуборочны машин, включающую способ и прибор оперативного определен повреждений клубней, устройство поддержания загрузки элеватора. Научн новизна обеспечена: теоретическими и экспериментальными моделям энергозатрат подкапывающего рабочего органа; вероятностной модель процесса сепарации почвы на прутковом элеваторе, учитывающег фракционный состав картофельного вороха; теоретической модель кинематики и динамики активных прутков элеватора с «бегущими каскадами» теоретическим обоснованием способа и прибора для контроля повреждена картофеля методом повышения давления; аналитическими выражениями да установки датчиков контроля просева почвы прутковым элеватором. Новизн технических решений подтверждена патентами Российской Федерации н изобретение №1813344, №2042307, №2147121, №2164738, №2212779 №2243556, №2350066, и на полезную модель №13595, № 23989, № 30488 №79009, №81031, №90229.

Практическая ценность работы. Разработана технология уборк картофеля, которая позволяет повысить работоспособност картофелеуборочных машин в сложных полевых условиях и обеспечит высокое качество убранного урожая, низкие повреждения и потери картофеля Результаты исследований нашли практическое применение модернизированных картофелекопателях КТН-2В, КСТ-1,4, копателях погрузчиках Е-684 и картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01 и 011-1500.

Производственная проверка показала эффективность технологии убор картофеля с применением инновационных решений в конструкции и настройк и поддержании режимов уборочных машин.

Реализация результатов исследований. Модернизированны картофелеуборочные машины прошли хозяйственные испытания и внедрены хозяйствах Рязанского, Спасского и Михайловского районов Рязанско1 области.

Материалы исследований были переданы ГСКБ по машинам возделывания и уборки картофеля, ОАО «Фирма «Комбайн»», используются учебном процессе инженерного факультета ФГОУ ВПО «Рязански государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» ряде других вузов. ..-..,■.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждались на научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1994 г.), Чувашской ГСХА (1998 г.), межрегиональной научной конференции Мичуринского аграрного университета (2000 г.), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2002, Рязанского государственного агротехнологического университета (1994...2010 г.), на Вавиловских чтениях - 2010(г. Саратов).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 53 печатных работ, в том числе: 8 статей по списку ВАК и 13 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, семи разделов, общих выводов, списка литературы из 251 наименований и приложений. Работа изложена на 462 страницах, из которых 334 страницы -основной текст, содержит 33 таблиц и 120 рисунков.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народно-хозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ технологий возделывания и уборки картофеля, рабочих процессов уборочных машин и контроля качества во время уборки картофеля» дан краткий анализ существующих технологий, способов и технических средств для уборки, оперативного контроля качества картофеля и регулирования технологических процессов картофелеуборочных машин.

Значительный вклад в обоснование кинематических режимов работы дисков почвообрабатывающих машин внесли В.П. Горячкин, И.А. Веденеев, В.И. Медведев, Г.Н. Синеоков, A.A. Сорокин, В.А. Хвостов, ими рассматривается силовое взаимодействие дисковых рабочих органов с почвой.

В работах Е.А. Непомнящего, В.М. Цециновского, Н.И. Шоренко, В. Фишера изучалась возможность просеивания частиц в совокупности с другими частицами. Большинство авторов: Н.В. Бышов, Н.И. Верещагин, В.П. Горячкин, H.H. Колчин, Н.И. Кривогов, М.Н. Летошнев, М.Е. Мацепуро, Г.Д. Петров, A.A. Сорокин, М.Б. Угланов, Н.В.Фирсов, В.А. Хвостов в своих работах выражают мнение, что при сепарации почвенно-картофельного вороха эффективность разделения компонентов определяется кинематическими режимами работы сепараторов. Анализ научно-исследовательских работ показывает, что на подкапывание и сепарирование приходится, примерно, 70% энергозатрат, 60% потерь клубней, 40% повреждений.

Исследованием повреждений клубней картофеля в процессе их уборки в разное время занимались многие учёные, среди них: И.С. Бацанов, Л.П.Безрукий, А.И. Бжезовская, В.К. Бойко, Н.И. Верещагин, С.А. Герасимов, Е.А. Глухих, H.H. Колчин, С.Н. Крашенинников, Н.И. Кривогов, М.И. Ламм,

М.Е. Мацепуро, Р.М. Махароблидзе, B.C. Митрофанов, И.М.Полуночев С.ФЛолищук, В.И. Табачук и другие.

Анализ технологий возделывания, конструкций картофелеуборочны машин и выполненных работ позволил определить основные направлен совершенствования технологии уборки, рабочих органов картофелеуборочны машин и способов контроля качества уборки картофеля.

Во втором разделе «Проблема механизированной уборки картофеля сложных полевых условиях» представлена научная проблема, обоснована цел и задачи исследований.

Под уборкой в сложных полевых условиях мы понимаем уборку ш почвах, тяжелых по механическому составу, повышенной и пониженно! влажности, а также при температуре воздуха ниже 5°С и невызревшеи картофеле. Всесторонний анализ проблемы механизированной уборю картофеля и моделей работы уборочных машин позволил нам разработат технологическую модель комбайна КПК -2.01, в которой учтено взаимно расположение рабочих органов и рассмотрены основные факторы определяющие работоспособность в сложных полевых условиях i обеспечивающие высокое качество убранного урожая (рис.1).

Работоспособность в сложных полевых условиях и эффективност картофелеуборочной машины будет определяться технологичность конструкции, скоростью агрегата и рациональным выбором режимов рабочи органов уборочной машины.

Комбайновая уборка возможна на тяжелых почвах, имеющих хорошу структурность, при влажности почвы 16...25%, содержании камней не боле 2 т/га и растительных остатков не более 6 т/га.

Подкапывающие рабочие органы должны обеспечивать работу н рабочих скоростях от 2 до 7 км/ч, разрушать почвенные комки и структур пласта, ограничивать поступление лишней почвы, особенно из междурядий перерезать растительные остатки, хорошо транспортировать (передавать пласт на сепарирующий элеватор. Эффективность работы подкапывающи рабочих органов характеризуется отсутствием сгруживания, значительны повреждений (не более 1..2 резаных на 200...300 клубней), потерь не боле 0,5% и хорошей сепарируемостью почвы на элеваторе.

Сепарирующие рабочие органы разрушают клубненосный пласт обеспечивают просеивание почвенных компонентов картофельного ворох Для исключения повреждений картофеля между клубнями и пруткам элеватора необходима почвенная прослойка. Сепарирующая способност элеваторов регулируется работой интенсификаторов. Эффективность работь сепарирующих рабочих органов характеризуется сепарирующей способность 0,8...0,9 и степенью повреждений клубней картофеля не более 2,0%.

| | - перспективные направления совершенствования

Контролируемые параметры: Пв — повреждения клубней; Пр - примеси (мелкая почва, почвенные комки, камни, растительные остатки); Пт - потери клубней; е - сепарирующая способность. Регулируемые режимы и параметры рабочих органов: V— скорость уборочного агрегата; а — глубина подкапывания; со — угловые скорости отрезающих дисков и интенсификаторов элеватора; а — угол наклона горки; Мр - количество вспомогательных рабочих.

Рисунок 1 - Технологическая модель работы модернизированного картофелеуборочного комбайна КПК -2.01

Получение высоких урожаев картофеля возможно на богатых гумусом почвах, однако комбайновая уборка на тяжелых почвах затруднена, а при высокой влажности почвы практически невозможна. Решение научной проблемы уборки в сложных полевых условиях заключается в разработке

усовершенствованных картофелеуборочных машин и комбайнов с активными рабочими органами, оперативного контроля качества уборки, а также средств управления технологическим процессом уборочной машины.

Для повышения эффективности работы картофелеуборочного комбайна на всех этапах технологического процесса проводится оперативный контроль повреждений и потерь клубней, а также содержания примесей. Это позволяет вести обоснованный выбор режимов рабочих органов на основе объективных данных. Для поддержания установленных режимов работы уборочной машины и обеспечения рациональной загрузки рабочих органов картофельным ворохом применяется устройство контроля просева почвы прутковым элеватором.

Анализ проблемы уборки картофеля в сложных полевых условия позволил сформулировать научную проблему и задачи исследований:

- проанализировать технологические приемы возделывания и уборки картофеля и на их основе определить перспективные направления повышения качества подкапывания и сепарирования;

- разработать конструктивно-технологическую схему подкапывающег рабочего органа и исследовать его кинематические и силовые параметры;

- разработать конструктивно-технологическую схему сепарирующег элеватора, исследовать его кинематику и обосновать режимы работы;

- исследовать сепарацию картофельного вороха;

- исследовать силовое взаимодействие картофельного вороха элементами конструкции элеватора и обосновать параметры активатора р комбинированных прутков сепарирующего элеватора;

- обосновать способ и разработать технические средства оперативног контроля повреждаемости картофеля рабочими органами картофелеуборочнь машин;

- исследовать повреждаемость клубней картофеля рабочими органам различной конфигурации;

- обосновать технологию настройки уборочной машины и способь поддержания рациональных режимов работы на основе контроля процессе сепарирования и повреждаемости клубней картофеля;

- определить технико-экономическую эффективность разработаннь технологий уборки картофеля и качественных показателей уборочных машин.

В третьем разделе «Исследование активных подкапывающих рабочи органов» представлены исследования силового взаимодействия активнь подкапывающих рабочих органов с почвой и обоснование их параметров режимов работы.

Производительность и качество выполнения технологического процесс картофелеуборочной машины существенно зависит от состоян клубненосного пласта, поступающего на рабочие органы машины. Поэто уже в процессе подкапывания необходимо воздействовать на пласт с цель ограничения захвата «свободной» почвы и почвенных комков, крошен пласта. С другой стороны подкапывающие рабочие органы должнь

способствовать передаче клубненосного пласта на сепарирующий элеватор. Конструктивно-технологическая схема рабочего органа включает опорно-опрессовывающий каток вертикально расположенные диски, имеющие привод от гидромоторов, и установленный между ними секционный лемех (рис. 2). На приводных внешних дисках для улучшения сцепления и транспортировки клубненосного пласта могут устанавливаться грунтозацепы, выполненные в

4- пассивный отрезающий диск; 5- гидромотор; (опорно-опрессовывающий каток не показан)

Рисунок 2- Схема экспериментального подкапывающего органа

При подкопе клубненосный пласт подрезается секционным лемехом 1. Диски обрезают пласт с обеих сторон, ограничивая захват уплотненной почвы из междурядий и перерезая растительные остатки. Привод отрезающих дисков обеспечивает окружную скорость грунтозацепов выше поступательной скорости пласта. В результате разницы скоростей и внедрения грунтозацепа клубненосный пласт разрушается с боков и транспортируется на сепарирующий элеватор.

Количество поступающей почвы во многом зависит от формы и взаимного расположения элементов подкапывающего рабочего органа. Сравнивая поперечные силуэты подкапывающего рабочего органа комбайна КПК-2.01 и предложенного рабочего органа, установлено уменьшение захвата почвы. Так при глубине подкапывания 0,20 м предложенный рабочий орган забирает почвы на 3...5% меньше в сравнении с серийным (КПК-2.01), при увеличении глубины подкапывания до 0,22 м при глубокой посадке картофеля или при рассыпании грядки поступление почвы снижается на 10...12%.

Для анализа силового взаимодействия приводного диска с почвой, используя графо-аналитический метод В.П. Горячкина, мы получили аналитические выражения для крутящего момента и силы тяги диска с учетом, что сила бокового давления является функцией от глубины погружения диска.

Силовое взаимодействие боковой поверхности диска с почвой представлено на (рис. 3). Диск располагаем в прямоугольной системе координат, начало которой находится в центре диска, ось ОУ направлена вертикально вниз, ось ОХ - горизонтально в направлении поступательной скорости движения.

Сложное движение диска включает поступательное перемещение и вращение относительно центра диска. Это движение можно представить ка! движение относительно мгновенного центра скоростей.

Тогда на каждой элементарной площадке боковой поверхности диска со стороны почвы действует элементарная сила трения йР направленная против мгновенной скорости & .

Рисунок 2 - Схема силового взаимоде

ивного диска с почвой.

Преобразовав выражение для силы| |гяги с учетом выражен

Г=К/Х и проинтегрировав, получим: ! кч1»- '

*г=2/

Я-а А

\Щ-у | и ' II

где К - радиус диска; ' { 1к

а-глубина хода диска в почве; I Ь ЩЫ

г ' I

/ - коэффициент трения почвы по пов^^ср)^ диска;

¿У .(1)

р - давление почвы на боковую поверхность диска, зависящее от глубины погружения (р=р(а))\

(Зхйу - элемент площади;

у - расстояние от элементарной площадки до оси ОУ;

X - расстояние от элементарной площадки до оси ОХ;

Г - расстояние от центра диска до мгновенного центра скоростей;

X - кинематический режим - соотношение окружной и поступательной скоростей диска.

Общий момент на валу диска пропорционален площади контакта его боковой поверхности с почвой. В процессе взаимодействия на участках боковой поверхности диска возникают силы трения, способствующие вращению дисков. Причем, чем выше кинематический режим работы дисков, тем меньше проявляется их влияние. В нормальных условиях работы при переходных режимах вращение дисков происходит в результате суммирования пассивного и активного потребляемого на привод крутящих моментов на валу диска.

м0бщ = М,+М2 (2)

Тогда потребляемый крутящий момент на привод диска будет равен разнице общего и пассивного моментов:

М2 = Мо6щ-М1 (3)

Потребляемый крутящий момент на привод дисков равен:

М.

=2/ I Р

Я-а

(Я2-у2)-^2-у2+(11/Х-у)2 -Я/А-у-

^Я2-у2+^Я2-у2+(К/Х-уУ

-((ЮХУ-у1) 1п

\ЮХ-у\

¿у-

юх -2/ I Р

Я-а

4Ёу1Х(К11-у)-К1Х-у--((Я/А)2-/) 1п 1 К/Х

йу

(4)

К/Х-у

Обоснование геометрических и энергетических показателей работы активного диска имеет большое значение при конструировании подкапывающих органов картофелеуборочных машин. Полученные аналитические зависимости тягового сопротивления и моментов сил трения боковой поверхности диска от кинематического режима работы диска представлены на рисунке 3.

С увеличением кинематического режима, то есть соотношения окружной и поступательной скоростей диска, происходит изменение знака тягового сопротивления, и диск создает дополнительную силу тяги. Наибольший прирост тягового усилия наблюдается при кинематическом режиме Х= 2.2,

дальнейшее увеличение частоты вращения дисков при фиксированно значении поступательной скорости до Я=3 вызывает повышенный расхо мощности, так как рост тягового усилия ограничивается.

Влияние пассивного крутящего момента проявляется пр кинематических режимах работы дисков Л=0,9...1,3. Потребляемый крутящи момент на привод дисков имеет минимальные значения при кинематичесю режимах Л= 1,7 ... 2.,2. Потребляемый момент на привод дисков пр кинематических режимах Я > 2 совпадает с общим крутящим моментом, пассивный момент в этом случае стремится к нулю.

Рг,Й 600 400

200 О--200

-400-600-

Мобщ - общий крутящий момент; М2 - потребный момент на приво дисков; М1 - пассивный момент; Ят— тяговое усилие диска; Я- кинематически! режим.

Рисунок 3 - Зависимость силового взаимодействия активного диска почвой.

Также были получены зависимости общего крутящего момента тягового сопротивления в функции от радиуса диска. Зависимость Кт = ¡1Г(К и М = М(К) монотонно возрастают с увеличением радиуса При этом сила тяг диска возрастает значительно быстрее, чем потребляемый крутящий момент нс привод. Таким образом, транспортирующая способность дисков возрастает увеличением радиуса диска.

Лабораторные экспериментальные исследования проводились ш почвенном канале ФГОУ ВПО «Рязанский государственны агротехнологический университет имени П.А. Костычева». При проведени испытаний использовалась тензометрическая установка, смонтированная пр!

участии ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля. В качестве измерительного элемента для регистрации тягового сопротивления использовалось универсальное тракторное звено УТТЗ-1,5. Для регистрации контролируемых параметров применялись: осциллограф шлейфовый Н0443 с регистрацией сигналов на фотобумаге, усилитель 8АНЧ-7М, токосъемники ТРАП-45. Частота вращения боковых дисков измерялась с помощью специальных счетчиков - герконов и постоянных магнитов, закрепленных на дисках. Определение вертикального и горизонтального усилия осуществлялось с помощью оси, на которую наклеивали тензодатчики.

Уравнение регрессии при планировании эксперимента рассчитывалось по программе "БТАТ1БТ1СА" версия 6, в результате обработки результатов таблицы были получены следующие уравнения.

Ят=-1179,8 + 3038,бо - 6,76« - 691.66г)2-6.32ш +0.084«2, (5) где V- скорость движения подкапывающего рабочего органа, м/с; п- частота вращения приводного диска, об/мин; Их — тяговое сопротивление, Н.

М= 321,54 -168,89 2,42 п + 65,28 V2 - 0,98 о п -0,003 п\ (6) где М- крутящий момент, Нм.

На основании уравнений 5 и 6 построены поверхности отклика и контурные графики зависимостей тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа и крутящего момента приводного диска (рис. 4,5). В результате исследований установлено, оптимальное значение кинематического режима активного диска составляет Х=1,7, что соответствует наименьшим энергозатратам на привод диска. Диапазон регулирования частоты вращения дисков диаметром 0,70 м подкапывающего рабочего органа, движущего со скоростью 1,2...1,8 м/с составляет от 85 об/мин до 110 об/мин. Такой режим работы активных отрезающих дисков требует определенных затрат энергии на привод дисков.

Мощность на преодоление тягового сопротивления предложенного рабочего органа определится выражением

Ыг-В-тЪ .........(7)

где N г мощность тяговая, Вт; V - скорость рабочего органа, м/с; Ят - тяговое сопротивление, Н.

С другой стороны мощность расходуется на привод дисков, создающих крутящий момент и дополнительное тяговое усилие

Ы2=Мсо (8)

где N2 - мощность на привод дисков, Вт;

М- крутящий момент дисков, Нм;

со - угловая скорость вращения дисков, с.

Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа

лищ= яти + Мсо (9)

где Л'оВщ- общая мощность на привод рабочего органа.

3D Contour Plot (Spraadsheets.sla 5v*27c) Var3 = -1179.8333+3038,6111'*-6,7639Y691.S667Vx-5.319itVf+0,OB43Yy

Рисунок 4 -Контурный график зависимости тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа от его скорости (Varl) и частоты вращения (Var2) приводного диска.

3D Contour Plot [5preadahed5.Bta 5v"27c) Van - 321,537-163,ESS9,x+2,42S'y«i5,277B*x'x-0l8E61"x*y-0.0ll3*y*y

Varl

Рис. 5 - Контурный график зависимости крутящего момента активного диска от его частоты вращения(Уаг2) и скорости подкапывающего рабочего орган а(Уаг1).

Для определения наиболее экономичного режима работы подкапывающего рабочего органа была проведена специальная серю экспериментов по исследованию влияния кинематического режима работь! дисков на энергозатраты подкапывающего рабочего органа. На основ; результатов опытов была получена математическая модели процесса в вид. уравнения регрессии.

= -7371.86 + 8839.44о+ 50.96« - 1559.64а* - 26.42ии + 0.072л2. (10) На основании уравнения 10 построены поверхности отклика у контурные, графики зависимости потребляемой мощности подкапывающеге

рабочего органа от скорости рабочего органа и частоты вращения приводных дисков (рис.6).

30 Сопйиг Р1о| (5ргеаЗз1)ее15.з1в £^"27с)

Ие\,;,/аг=-7371.В552*8829144«'х+Е0,Э5В17-1559,бЗВЗ'х'х-гб,4203-х 7*1],0723*у'у 100 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

Уа г I

Рис. б - Контурный график зависимости потребляемой мощности подкапывающего рабочего органа от частоты вращения приводного диска(Уаг2) и скорости его движения(Уаг1).

Полученная зависимость представленная на рис. 6 показывает, что величина мощности подкапывающего рабочего органа зависит от мощности на привод дисков и на передвижение рабочего органа. Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа при повышенных кинематических режимах работы дисков X > 2,5 определяется, в основном, мощностью на привод дисков. Поэтому, в целях ограничения энергозатрат кинематический режим работы дисков следует выбирать не выше 2,2.

Размещение на приводных дисках грунтозацепов, выполненных по логарифмической кривой с постоянным углом скольжения 60°, улучшает крошение и транспортировку клубненосного пласта по лемеху. В результате тензометрирования установлено, что монтаж на приводных дисках 4 грунтозацепов, выполненных по кривой с углом скольжения 60°, увеличивают горизонтальное усилие диска на 210...240Н. Оптимальное количество грунтозацепов, установленных на диске, равное 4, обеспечивает крошение почвенного пласта и самоочищение рабочего органа.

Исследования экспериментального картофелекопателя велись по двум основным направлениям: проверка теоретических проработок в реальных условиях уборки картофеля и оценка агротехнических и энергетических показателей работы экспериментального картофелекопателя. Испытания проводились согласно ОСТ 10 8.5-87.

У экспериментального картофелекопателя на базе приемной части КПК-2.01 была изменена подкапывающая часть, был установлен трехсекционный пассивный лемех и боковые диски с грунтозацепами, причем диски,

установленные с внешней стороны рабочего органа, имели привод. Результаты проведенных экспериментальных исследований свидетельствуют:

1. Применение приводных отрезающих дисков с грунтозацепами в подкапывающей части позволяет снизить тяговое сопротивление экспериментального картофелекопателя до 4,4 кН на 12-15% в сравнении с бесприводным вариантом их работы. Применение привода на один отрезающий диск подкапывающего рабочего органа улучшает крошение клубненосного пласта и не снижает эффективность его работы. Использование предлагаемых подкапывающих рабочих органов позволило увеличить чистоту сходового вороха на 17,9% в сравнении с вариантом, включающим лемех и пассивные диски.

2. Картофелекопатель с разработанными подкапывающими рабочими органами работал в диапазоне рабочих скоростей от 2,4 до 7,2 км/ч, обеспечивая выполнение агротехнических требований. Полнота уборки составила 97,3%. Повреждения клубней были на допустимом уровне 1,9%.

В четвертом разделе «Исследование активных сепарирующих рабочи органов с комбинированными прутками» представлены исследования процесс сепарации почвы, обоснование параметров и исследования кинематики динамики сепарирующих органов с комбинированными прутками.

Для повышения полноты сепарации почвенно-картофельного вороха предотвращения залипания прутков была изменена конструкция прутковог элеватора путем установки на прутки полиэтиленовых трубок с радиальны зазором и возможностью перемещения. Трубки гасят энергию удара пр падении на них клубней. В дальнейшем, сочетание прутка с трубкой буде именовать комбинированным прутком.

В качестве перспективного сепаратора был предложен Прутковы элеватор с «бегущими» каскадами. На рисунке 7 представлен принципиальная схема сепарирующего элеватора с «бегущими» каскадами Сепарирующий элеватор картофелеуборочной машины содержит прутково полотно 3, установленное на ведомой 6 и ведущей 4 звездочках, закрепленны на раме. На прутках, через один установлены трубки 2 из полиэтилен высокого давления ПВ-80 ГОСТ 18599-2001. Для исключения попадай почвы в радиальный зазор трубки 2 закрыты с обеих сторон резиновым чехлами 8. На прутках имеются специальные буртики (высадки обеспечивающие герметичность соединения и возможностью вращен трубки. Под полотном элеватора расположен активатор с винтовой навивкой 1 который приводится от гидромотора 5. Гидромотор 5 имеет возможност изменения частоты вращения.

При движении пруткового полотна 3, несущего на верхней ветв картофельный ворох, трубки 2 взаимодействуют с винтовой навивко активатора 1, в результате чего совершают перекатывание по нему. Труб комбинированных прутков образуют «бегущие» каскады, препятствующи скатыванию клубней. Вращение трубок в направлении движения элеватор

улучшает сепарацию и транспортировку картофельного вороха. Почвенный пласт по мере продвижения по транспортеру претерпевают нагрузки сжатия, растяжения, изгиба, что способствует улучшению сепарации. Интенсивность воздействия трубок комбинированных прутков на ворох определяется частотой вращения активатора с винтовой навивкой.

а - схема элеватора; б-уплотнение комбинированного прутка;

1 - активатор с винтовой навивкой; 2 - трубка комбинированного прутка; 3 - бесконечное прутковое полотно; 4 - ведущая звездочка; 5 — гидромотор; 6 -ведомая звездочка; 7 - высадки прутка; 8 - резиновый чехол.

Рисунок 7 - Принципиальная схема сепарирующего элеватора с «бегущими» каскадами.

Процесс сепарации представляет собой две стадии: - переориентация и сепарация в толще вороха; - просеивание проходовых частиц в просветах между прутками элеватора. Рассмотрим вероятность прохода частицы, с учётом помех просеву частиц друг другом над просветом между прутками. Определим вероятность просева частиц для одного просвета элеватора, та же самая вероятность будет для всех просветов всего полотна элеватора. Тогда вероятность сепарации с учетом непрохода частиц можно вычислить по формуле:

где /- величина просвета между прутками; к, п -предельные размеры фракций почвенных агрегатов. Условные верояности содержания в картофельном ворохе почвенных агрегатов определенного размера - вероятности гипотез Я; (/ =1-10),

5

А/3

пр

характеризуются содержанием данной фракции в картофельном ворохе, определяются по формуле:

(12)

т.

где М- масса картофельного вороха,

т1 - содержание фракции почвенных агрегатов данного размера.

Полная вероятность просева вороха с учетом фракционного состава тогда будет:

Р(А)=%Р(Н.УР(А/НЛ (13)

г=1 1 1

Картофельный ворох представляет собой совокупность частиц разного размера, причём, чем больше размер частиц картофельного вороха, тем ниже вероятность сепарации. Рассматривая математическое ожидание размера частицы с учетом помех одной, двух и трех частиц, выяснили, что повышенной склонностью к непросеву обладают частицы, размером более 0,62 величины просвета между прутками элеватора.

Сепарация картофельного вороха на элеваторе с «бегущими» каскадами определяется работой интенсификатора. В нашем случае, интенсификатором является приводной вал активатора с винтовой навивкой. При вращении активатора на полотне возникают «бегущие» каскады, кинематика которых зависит от геометрических параметров активатора и его частоты вращения. Навивка представляет собой спираль, её вид представлен на рисунке 8.

Трубка комбинированного прутка будет перемещаться со скоростью элеватора, при этом путь, пройденный трубкой за время /,будет:

5 = 7 -Г, (14)

э

где 5" - путь, м;

V - скорость элеватора, м/с.

уЭ

1 -виток активатора; 2 - пруток; 3 - трубка Рисунок 8 - Схема движения трубки комбинированного прутка по навивке активатора

Координаты трубки комбинированного прутка будут выглядеть:

X-V •¿-(г-^)-со5[агс5т [-2

3 2

г + е+^г-г-зт( со-0

г--.

(15)

(г + е) ■ соэ( агс1% {г •—• соз( со ■ /))

•-И-]]

г — -

7=г -зт((У • Г)+(г+е) • сОБ(аг^(г • у • соз(й) • 0) •

(16)

Продифференцировав выражения (15), (16) получим формулы для определения скоростей центра трубки Ух, Уу.

Анализ полученных зависимостей показал, что скорость и ускорение трубки комбинированного прутка определяется как характеристиками комбинированного прутка, так и параметрами активатора. Абсолютная скорость трубки комбинированного прутка (рис.9) показывает возможность воздействия активатора на клубненосный пласт.

»(О 2

' 0 0.5 1 1.5 2

I

V (^ - абсолютная скорость трубки, м/с; 1:- время, с.

Рисунок 9 - Графическая зависимость абсолютной скорости трубки V при движении по активатору за период времени 1 (при внутреннем радиусе трубки г =0,0105 м, угловом шаге спирали ¿=0,2 м, угловой скорости активатора си=7 рад/с и скорости полотна элеватора Кэ=1,8 м/с)

В зависимости от выбранных режимов скорости полотна элеватора, угловой скорости активатора, диаметра трубки комбинированного прутка абсолютная скорость существенно влияет на процесс транспортировки и сепарации картофельного вороха на элеваторе. При этом относительные значения скоростей трубки не превышают 0,5...0,8 м/с, что обеспечивает снижение повреждаемости клубней картофеля.

Изменение абсолютного ускорения трубки комбинированного прутка приведено на рисунке 10. Из которого видно, что максимальные нагрузки

(ускорение) будут соответствовать нахождению трубки либо на впадине, либо на вершине витка активатора. Таким образом, чередование знакопеременных ускорений будет способствовать возникновению нагрузок внутри почвенного пласта, и способствовать его разрушению на частицы. Просеиванию почвы также будет способствовать и вращение трубок вокруг прутков.

60

40

а(1)

20

°0 0.5 1 1.5 2

Í

JL À L Ju\ L

a(t) - абсолютное ускорение трубки, м/с2; t- время, с. Рисунок 10 - Графическая зависимость абсолютного ускорения трубки a(t) при движении по активатору за период времени t (при внутреннем радиусе трубки г =0,0105 м, угловом шаге спирали 6=0,2 м, угловой скорости активатора су=7 рад/с и скорости полотна элеватора V3=l,8 м/с)

Используя принцип Даламбера, рассмотрим равновесие трубки комбинированного прутка на активаторе. Действующие на трубку комбинированного .прутка силы представлены на рисунке 11: Ro5u¡ - вес

почвенно-картофельного вороха и трубки, N- реакцию активатора, F^^ -

силу тяги полотна элеватора, силы трения F^ - между почвой и трубкой,

^тр1~ междУ прутком и трубкой, F ^ - между активатором и трубкой, Ф^ -

центробежную силу инерции, Ф^ - касательную силу инерции, а также Mф-

момент сил инерции трубки комбинированного прутка.

Спроецировав силы на выбранные оси координат XOY, были составлены уравнения равновесия:

S F =0 -,-R, -siny-Ф -N-sma-F ,-cos a+F -

kx общ ' t mpi тяг

-Fmp2-S'mP-Fmpl-C0Sr=°

T,F=Q;-R, -cosr-Ф +N-COSCC —F „-sina +

"У общ ' n трЪ

+FmP2-cosp-F^.smy^ (18)

1Л/=0; Мф+Ртяг-{г--)-со$Р-РтрЪ-(г+е)-Ртр2-г+ +*,ЩР1<г + е) = ° ■

Силы трения в соответствии с законом Кулона были представлены в виде выражений, зависящих от силы нормального давления. У.

Рисунок 11 - Расчетная схема силового взаимодействия трубки комбинированного прутка с активатором

Вращение трубки комбинированного

соотношения моментов, обозначим их М и

вр

прутка

М-........

сопр

М Лг + е)+М.

вр тр 34 ' ф

М =Г ,(г + е)+Р „•/- +

сопр тр 14 ' тр 2

будет зависеть от

(20)

+ Р

сое (5

(21)

Проведено исследование вращения трубки комбинированного прутка при движении по активатору. Полученные в результате расчетов графические зависимости приведены на рисунке 12.

Вращение трубки относительно прутка возможно в начальной фазе контакта трубки с витком активатора. При последующем движении вне зависимости от зазора, наличия клубненосного вороха на элеваторе, трубка будет окатываться вокруг прутка. С одной стороны это позволяет уменьшить износ внутренней поверхности трубок, с другой стороны возникает вероятность залипания внутренней поверхности трубок. Поэтому герметизирующие устройства внутренних полостей комбинированного прутка должны обеспечивать возможность радиального перемещения и вращения трубки относительно прутка. Кроме того, за счет образования «бегущих»

каскадов, улучшается транспортировка почвенно-картофельного вороха по полотну элеватора.

сопротивления; t- время, с.

Рисунок 12 - Изменение моментов вращения и сопротивления трубки при движении комбинированного прутка по активатору

Для фиксирования вращения трубок при различных режимах работы сепарирующего элеватора с «бегущими» каскадами использовалось видео камера марки Canon MV 7001. Затем полученные видеозаписи оцифровывались и с помощью специальной программы запускались с замедленной скоростью. С учетом уменьшения скорости просмотра оценивалась скорость движения «бегущего» каскада и частота вращения трубок.

В результате обработки опытных данных получена математическая модель, выражающая зависимость числа оборотов трубки на участке полотна элеватора от скорости элеватора и частоты вращения активатора для прутков с внешним диаметром 0,025 м:

N=-34,2976+42,4• V -0,0377-я-11,25-V2-

3 ' э 02)

-0,0188-Г -л+0,0004-и2

' э '

где N - количество оборотов трубки комбинированного прутка, раз;

Уэ - скорость вращения элеватора с «бегущими» каскадами, м/с;

П - частота вращения шнека активатора, об/мин.

По данной модели построен контурный график поверхности отклика (рис. 13).

Vз

Рисунок 13 - Графическая зависимость числа оборотов трубки с внешним диаметром 0,025 м комбинированного прутка на участке полотна элеватора 0,75 м от скорости элеватора и частоты вращения активатора

Анализируя работу элеватора с «бегущими» каскадами с внешним диаметром комбинированного прутка 0,025 м, можно заметить, что число оборотов на участке 1,0 м составляет 3,5 оборота. При этом оптимальному значению максимального числа оборотов соответствует скорость элеватора 1,80..Л,85 м/с и частота вращения шнека активатора 80 об/мин.

Для определения влияния скорости полотна элеватора с «бегущими» каскадами, частоты вращения активатора на эффективность сепарации проводился многофакторный эксперимент. Специально подготовленный ворох укладывали в лабораторный лоток, не разрушая пласт. Затем, для моделирования заданной 50-60 кг/с подачи ворох массой 20 к г подавался на участок полотна длиной 0,7...0,8 м. Под рабочей ветвью полотна элеватора были поперечно размещены лотки шириной 0,25 м таким образом, чтобы в них попала почва, просеявшаяся в просветы между прутками по длине полотна. Определение массы подаваемого вороха, почвы в лотках, а также вороха, сошедшего с элеватора, производили при помощи электронных весов до 50 кг с погрешностью ±10 г. Повторность опытов трехкратная.

По опытным данным была рассчитана математическая модель, выражающая зависимость сепарации почвы на элеваторе с «бегущими» каскадами от изменения скорости полотна элеватора и частоты вращения шнека активатора. Для прутков с внешним диаметром 0,025 м было получено следующее уравнение регрессии:

£ = -1,1722+0,0203 • п+1,4073 • К -0,0003 • п2 + + 0,012-л-0,6275-Г2 , (23)

где г - сепарирующая способность;

п - частота вращения шнека, об/мин; Уэ - скорость полотна элеватора, м/с.

Анализ полученной графической зависимости (рис. 14) показывает, что наилучшая сепарация почвы (0,90) достигается при скорости полотна элеватора 1,85 м/с и при частоте вращения шнека активатора 77 об/мин.

Рисунок 14 - Графическая зависимость сепарации почвы на элеваторе с комбинированными прутками при трубках внешним диаметром 0,025 м от изменения скорости полотна и частоты вращения активатора.

Так как трубки свободно перемещаются на прутках, то изменение величины просветов между прутками является вероятностным процессом и зависит от размерных характеристик клубней картофеля и условий их прохождения между прутками. Следует отметить, что максимальный и минимальный размеры равновозможны. Вероятность отклонений размеров просветов от среднего зависит от возмущающего воздействия, диаметра трубки, а также свойств картофельного вороха.

Среднее значение величины просвета между комбинированными прутками определяются свободным положением трубки (рис. 15) и может быть установлено из выражения (24).

1 -пруток; 2 - быстросъемная трубка; 3 - интенсификатор. Рисунок 15 - Расчетная схема к определению просветов между прутками.

А„„+</

1пр ~

Хср=*ир- ШР'~ , (24)

где ХСр - среднее значение величины просвета между прутками, мм; tnp - шаг прутка, мм;

Dmp- наружный диаметр трубки комбинированного прутка, мм; tíí-диаметр стержня прутка, мм.

Максимальное и минимальное значения величины просвета между комбинированными прутками молено определить по формулам

Хтах='пр-^ > (25)

Xmin =Ч ~Dmp +s> (26)

где s-толщина стенки трубки.

Если на прутках находятся компоненты картофельного вороха,

то трубка отклоняется от первоначального положения на угол СС

а = arceos J^, (27)

где DK - диаметр компонента (клубня), мм.

При отклонении трубки размер просветов меняется на величину ДХ

ЛХ= ф--cosa , (28)

тогда размеры просветов будут определяться из выражения

X . <Хгп + АХ<Хтяу (29)

тт СР тах

Для определения шага расстановки прутков на элеваторе исследовались потери клубней элеватором с комбинированными прутками. В опытах использовалась установка с изменяемым шагом прутков. Под рабочую зону ее полотна устанавливался опорный брус и металлические лотки, по опорному брусу перемещали интенсификатор. Потери клубней учитывались по двум параметрам массе (более 30 г) и толщине (более 28 мм) в штуках.

Результаты расчета зависимости потерь клубней картофеля от диаметра трубок комбинированных прутков, шага прутков представлены уравнением регрессии.

У= 6278,5555+ 20,8333*Х1 -304,6667^X2 -0,4*Х1*Х2 +

-0,0733X1 *Х] +3,6667*Х2 *Х2. (30)

где XI- внешний диаметр трубок, мм; Х2 - шаг прутков полотна, мм.

Графическая зависимость приведена на рисунке 16. Экспериментальные исследования показали, что оптимальные параметры элеватора с комбинированными прутками следующие: наружный диаметр трубок комбинированных прутков 25 мм, шаг расстановки прутков 43 мм. При этих параметрах наблюдаются высокая сепарация и минимальные потери клубней картофеля толщиной менее 28 мм или массой 30 г.

Var3 = 6270.5555+20 ß333*K-30i.6(567*y-0,0733'l('xO,4*x"y+3,6667*y*y

Varl

Рисунок 16 - Графическая зависимость потерь клубней картофеля (%) от диаметра трубок комбинированных прутковУаг1(мм) и шага расстановки прутков Уаг2(мм).

В пятом разделе «Исследование способа и технических средств определения внутренних повреждений клубней методом наложения давления в жидкости» представлены исследования способа и технических средств оперативного определения повреждений картофеля.

Для определения внутренних повреждений картофеля использован метод повышения давления, который учитывает различную сжимаемость поврежденных и неповрежденных тканей клубня картофеля. Реализация данного метода возможна при обеспечении объемного сжатия клубней и измерения объема пробы картофеля до и при сжатии.

Корпус прибора представляет собой баллон 1 в виде цилиндрической трубы (рис. 17). Крышка 2 имеет воздушный штуцер 4 с обратным клапаном необходимый для подачи воздуха с целью получения внутри устройства рабочего избыточного давления. В нижней части крышки имеется вытеснитель 5 в виде стакана, который уменьшает площадь поверхности жидкости прибора, в котором находится проба клубней 6, увеличивая тем самым величину падения уровня рабочей жидкости в баллоне при сжатии пробы.

Пробу клубней весом не менее 50 г каждый, помещают внутрь прибора, заполненного водой. По увеличению уровня жидкости в баллоне регистрируют объём помещённой в неё пробы клубней картофеля. Проводят герметизацию прибора путём установки на баллон крышки с последующей её фиксацией винтовым механизмом. Часть жидкости (излишки) должны перетечь в вытеснитель через его края, при этом устанавливается начальный уровень жидкости в баллоне. После этого через воздушный штуцер крышки нагнетают внутрь прибора воздух, создавая там определённое избыточное давление. По истечении периода релаксации пробы клубней (15-30 секунд) по уровнемеру регистрируют величину уменьшения объёма пробы от воздействия на неё избыточного давления.

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - манометр; 4 - воздушный штуцер с обратным клапаном; 5 - вытеснитель; 6 - клубни; 7 - жидкость (вода); 8 -уровнемер.

Рисунок 17 - Схема прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля ПКП-10.

Величина рабочего давления устройства выбирается такой, чтобы в процессе релаксации клубней происходило бы сжатие главным образом повреждённых (ушибленных) тканей, потерявших прежнюю упругость вследствие получения ими механических повреждений.

Работу А, затрачиваемую на деформацию пробы клубней картофеля в предлагаемом устройстве, можно выразить через рабочее давление в устройстве Р; площадь поверхности жидкости Б, на которую действует давление; а также величину уменьшения уровня / жидкости, которую определяют по уровнемеру.

Выразив силу через давление и площадь, получим

А = РЯ •/. (31)

уст

Подставляя полученное выражение в обобщённое уравнение Клайперона, получаем

А=\Р-Ш, (32)

V

где А - работа внешних сил по сжатию клубня в устройстве, Дж;

Р - рабочее давление внутри устройства, Па;

V - объём клубня, м3;

А - относительная объёмная деформация клубня картофеля от его сжатия давлением Р.

Степень повреждения клубня картофеля через относительные объёмные деформации его повреждённых и неповреждённых тканей определится как

п= А А" • (33)

где

п - степень повреждения клубня картофеля; Ан - относительная объёмная деформация неповреждённых тканей клубня;

Ап - относительная объёмная деформация повреждённых тканей

клубня.

Выражение для расчёта рабочего объёма предлагаемого прибора оперативного контроля внутренних повреждений клубней картофеля:

7 г _ ™пр/пах

раб04- « АЦ-т^

Ркарт.Щ

карт, 'пр.тах

.2

А„П+Ан(1-П)]

картшс. "■"■тр. Ркартмас.

(34)

где т„ртах ~ максимальная масса пробы клубней картофеля,

помещаемой в устройство, кг;

Р - объемная масса картофеля насыпная, кг/м3;

гкартлас.

(I - внутренний диаметр трубки уровнемера, м;

Ркарт - плотность клубня картофеля, кг/м3;

В - внутренний диаметр мерного баллона устройства, м;

Ц - цена деления шкалы уровнемера, м3/м.

Для определения степени повреждений применялась лабораторная установка, которая включала в себя прибор оперативного контроля повреждений клубней картофеля; маятниковый копёр; компрессор; тару для хранения клубней картофеля при проведении лабораторных опытов; ёмкость с запасом рабочей жидкости и весы.

Лабораторные опыты с применением данной установки проводились в следующей последовательности. Производился отбор пробы клубней картофеля сорта Латона. Величина пробы контролировалась взвешиванием при помощи весов. Точность взвешивания ±10 г. Затем клубням исследуемой пробы наносились определённой величины и вида повреждения при помощи копра. Повреждённая проба помещалась в устройство оперативного определения степени повреждения клубней картофеля, куда предварительно заливалась жидкость (вода). По увеличению уровня жидкости внутри устройства определяли объём исследуемой пробы, после чего устройство герметично закрывали крышкой.

При помощи компрессора через воздушный штуцер крышки нагнетали воздух внутрь корпуса устройства для создания рабочего давления. Объёмная деформация сжимаемой пробы картофеля определялась после периода релаксации по уровнемеру устройства оперативного определения

повреждений. Продолжительность периода релаксации составляла от 15 до 30с. По результатам анализа данных получены следующие уравнения регрессии, характеризующие зависимость относительной объёмной деформации проб клубней картофеля сорта Латона, имеющих различные степени механических повреждений, от величины избыточного давления:

для клубней картофеля с пяти процентной степенью повреждения

у = -0,001 + 0,0461 • х - 0,0693 • х2; (35)

для клубней картофеля с десяти процентной степенью повреждения

у = -0,0008 + 0,0481-х- 0,072 • х2; (36)

для клубней картофеля с пятнадцати процентной степенью повреждения

у = -0,0007 + 0,0497 • х - 0,0739 • х2. (37)

На рисунке 18 представлено графическое изображение данных математических моделей.

0,016

0,000

Повреждение 0% ^Ек. Повреждение 100% V. Повреждение 15% - ->-- Повреждение 10%

0,35 0,45 ^ Повреждение 5% Избыточное давление, МПа

Рисунок 18 - Графические зависимости относительной объёмной деформации пяти проб клубней картофеля сорта Латона с различной степенью повреждения от величины избыточного давления.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,05 0,15 0,25

Анализируя полученные зависимости, можно видеть, что до избыточного давления 0,25...0,27 МПа графики деформаций клубней

картофеля имеют линейный вид. Причем, начиная с давления 0,25 МПа, различия относительной объемной деформации клубней для различной степени повреждения меняются незначительно. Поэтому для повышения точности прибора оперативного контроля и не нанесения дополнительных повреждения клубням рабочее давление прибора стоит ограничить 0,27 МПа.

В_шестом разделе «Исследование устройства контроля

технологического процесса картофелеуборочных машин» представлены исследования устройства контроля технологического процесса картофелеуборочных машин.

Качественно проведенная настройка картофелеуборочного комбайна предполагает поддержание рациональных режимов и загрузки рабочих органов в соответствии с конкретными полевыми условиями. Для повышения эффективности работы картофелеуборочного комбайна, поддержания рациональной загрузки рабочих органов было предложено устройство контроля просева почвы сепарирующим элеватором. Устройство состоит из инерционного датчика 2, который устанавливается под полотно сепарирующего элеватора 1, сравнивающего блока 3, задатчика 4 и индикаторного табло 5 (рис. 19).

1 - сепарирующий элеватор; 2 -инерционный датчик, 3 - сравнивающий блок; 4 - задатчик; 5 - индикаторное табло.

Рисунок 19 - Принципиальная схема устройства регулирования загрузки сепарирующего элеватора.

Инерционный датчик на виброизолированном основании устанавливается под верхней ветвью полотна элеватора и соединяется со сравнивающим блоком, расположенным на раме картофелеуборочной машины. Индикаторное табло устанавливается на стекле кабины трактора и имеет ручку выбора режимов задатчика. Связь между элементами устройства осуществляется с помощью многожильного экранированного кабеля. Питание устройства происходит от батареек, либо от бортовой системы электрооборудования напряжением 12В.

Просеявшаяся сквозь прутки элеватора почва ударяет по инерционному датчику. В зависимости от количества просеявшейся почвы интенсивность сигнала датчика меняется. Сигнал, попадая в сравнивающий блок, фильтруется от шумов и сравнивается с опорным уровнем, установленным задатчиком в

.5

1

2

процессе настройки. Устанавливая определенный уровень загрузки элеватора картофельным ворохом, мы можем влиять на интенсивность сепарации пруткового элеватора. Устройство для контроля просева почвы пруткового элеватора позволяет обеспечить высокую производительность картофелеуборочного комбайна, рациональную интенсивность сепарации и снижение повреждений клубней картофеля.

Так как датчик находится на некотором удалении от полотна элеватора, рассмотрим падение частиц почвы от элеватора без учёта сил сопротивления воздушной среды. Расчетная схема приведена на рисунке 20.

Тогда скорость почвы, попадающей на датчик, будет складываться из двух составляющих:

Рисунок 20 - Схема к определению движения просеявшейся частицы.

Определив траекторию движения частиц, и задавшись шириной пластины датчика /2=0,07 м, мы определили время нахождения просвета над датчиком /;=0,035 с. Положение датчика относительно элеватора будет также определять скорость просеявшихся частиц V. При этом скорость частиц, полученная от элеватора Ул, будет преобладать при расположении датчика на расстоянии по высоте до 0,1 м от элеватора. Дальнейшее увеличение расстояния между верхней ветвью элеватора и датчиком ведет к преобладанию вертикальной скорости, что при значительном сопротивлении воздуха (ветреная погода) может привести к нестабильности показаний. Следует учитывать, что просеявшееся частица за время падения на 0,1 м вниз, пролетит в направлении движения элеватора около 0,25 м.

(38)

где ¥ц — скорость полотна элеватора, м/с; V- скорость почвы в просветах между прутками, м/с. Абсолютная скорость почвенных частиц будет:

(39)

В седьмом разделе «Организационно-экономические аспекты технологии уборки картофеля с применением активных рабочих органов и оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин» представлена технологии уборки с применением оперативного контроля качества и активных рабочих органов картофелеуборочных машин, а также рассчитана экономическая эффективность её внедрения.

При внедрении технологии уборки картофеля в хозяйствах: СПК имени Кирова, «ИП Пеныпин В.А. Глава КФХ», СХПК «Трепольский» Михайловского района Рязанской области была произведена модернизация подкапывающих и сепарирующих рабочих органов на картофелекопателях КТН-2В, КСТ-1,4, копателях-погрузчиках Е-684 и картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01. Для поддержания оптимальной скорости уборочных агрегатов использовалось устройство для регулирования загрузки сепарирующих рабочих органов. Оперативный контроль повреждений клубней картофеля осуществлялся с помощью прибора для контроля повреждений ПКП-10.

Настройка уборочной техники предварительно производилась на регулировочной площадке по результатам агротехнической оценки. Затем на основании пробного прохода оценивалось качественные показатели. Качество работы комбайнов оценивалось по следующим основным показателям: чистота клубней в таре, повреждения клубней и потери картофеля в поле. Отбор клубней производился из бункера комбайна и с поверхности поля после прохода комбайна. Степень повреждения клубней определяли прибором контроля повреждений. Пробу клубней размером не менее 50 г и общим весом не менее 6,5 кг помещали в прибор и определяли ее объем. Затем прибор герметизировали, нагнетали давление и по величине деформации определяли повреждения клубней. По итогам оценки качественных показателей проводились корректировки выбранных режимов картофелеуборочных машин, а также выбор оптимальных режимов и скорости движения. Выбранные рациональные режимы поддерживались с помощью устройства контроля просева почвы сепарирующими рабочими органами.

По итогам внедрения технологии уборки картофеля предложено при работе групп картофелеуборочных машин назначать рабочего из числа комбайнеров для оперативного контроля качества их работы. Рабочий осуществляет контроль потерь картофеля, чистоты и повреждений клубней в бункере машин, а также помогает проводить настройку картофелеуборочных машин. Применение предложенной технологии уборки картофеля с активными рабочими органами и оперативным контролем качества в хозяйствах: СПК имени Кирова, «ИП Пеныпин В.А. Глава КФХ», СХПК «Трепольский» Михайловского района Рязанской области позволило снизить общие потери картофеля на 5,3% , а общие повреждения клубней на 6,2%, улучшить контроль рабочего процесса уборочных машин

Суммарный экономический эффект от использования технологии уборки с применением активных рабочих органов и оперативным контролем качества

работы уборочных машин составил 1529397 руб. в год (25490 руб. в расчете на 1 га) при уборке 60га.

Общие выводы, предложения и рекомендации производству

1. Анализ современных технологий и машин для уборки картофеля показал, что технологии имеют существенные недостатки, а машины порой неработоспособны в сложных почвенно-климатических условиях. Отсутствует оперативный контроль повреждений клубней и соответственно контроль качества работы картофелеуборочных машин, что приводит к снижению качества уборки. Подкапывающие рабочие органы захватывают большое количество «лишней» почвы и склонны к сгруживанию пласта на повышенных скоростях, особенно на тяжелых почвах. Сепарирующие рабочие органы имеют недостаточную сепарирующую способность, залипают в условиях повышенной влажности и наносят значительные повреждения клубням картофеля. Анализ научно-исследовательских работ показывает, что на подкапывание и сепарирование приходится, примерно, 70% энергозатрат, 60% потерь клубней, 40% повреждений. Поэтому необходима разработка такой технологии и машин для уборки картофеля, которые способны работать в сложных условиях на основе применения активных рабочих органов, оперативного контроля качества уборки и настройки на рациональный режим работы.

2. Подкапывающие рабочие органы должны иметь низкое тяговое сопротивление и способствовать безпрепятственной передаче клубненосного пласта на сепарирующий элеватор. Конструктивно-технологическая схема подкапывающего рабочего органа должна включать опорно-опрессовывающий каток, вертикально расположенные приводные диски с грунтозацепами и установленный между ними секционный лемех. Исследования захвата почвы показали, что при глубине подкапывания 0,20 м разработанный рабочий орган забирает почвы на 3...5% меньше в сравнении с серийным КПК-2.01, при увеличении глубины подкапывания до 0,22 м при глубокой посадке картофеля или при рассыпании грядки поступление почвы снижается на 10... 12%. Размещение на приводных отрезающих дисках грунтозацепов, выполненных по логарифмической кривой с постоянным углом скольжения 60°, улучшает крошение и транспортировку клубненосного пласта по лемеху. При установке 4 грунтозацепов на активном диске, тяговое сопротивление рабочего органа снижается на 15... 17% до величины 1200... 1250 Н, по сравнению с плоским диском. Исследованиями установлено, что наиболее экономичным режимом работы дисков является соотношение окружной и поступательной скорости диска 1,7...2,2.

3. Сепарирующий рабочий орган должен содержать элеватор с полотном, на котором через один пруток с радиальным зазором установлены трубки из полиэтилена высокого давления, а под полотном активатор с винтовой навивкой и собственным приводом. При движении пруткового

полотна трубки взаимодействуют с винтовой навивкой активатора и почвой, образуя «бегущие» каскады. При этом происходит подбрасывание трубок и их проворачивание, что приводит к переориентации компонентов почвенно-картофельного вороха, уменьшению налипания почвы на прутки, улучшению сепарации. Увеличение площади контакта клубней с трубками и уменьшение силы удара клубней о свободно перемещающиеся трубки способствует снижению повреждений клубней. Степень воздействия трубок комбинированных прутков на ворох определяется частотой вращения активатора и шагом витка спирали.

4. Теоретические исследования сепарации картофельного вороха показывают, что частицы размером более 0,62 величины просвета между прутками склонны к непросеву и снижают сепарирующую способность пруткового элеватора. При-величине просветов между прутками элеватора около 0,028 м для уменьшения непросева размер частиц вороха не должен превышать 0,018м.

5. Исследование силового взаимодействия комбинированного прутка показало, что вращение трубки возможно только в начальной фазе контакта с витком активатора, при последующем движении, вне зависимости режима работы активатора, величины вороха на элеваторе, трубка будет окатываться относительно прутка без скольжения. Исследования взаимного влияния диаметра трубок на шаг расстановки комбинированных прутков показали, что высокая сепарация и минимальные потери клубней картофеля массой около 30 г наблюдаются при следующих параметрах элеватора с комбинированными прутками: шаг расстановки прутков с диаметром 0,011 м составляет 0,043 м, а наружный диаметр трубок 0,025 м при внутреннем 0,021 м.

6. В результате теоретических исследований движения трубки комбинированного прутка получена математическая модель, которая позволила исследовать значения скоростей и ускорений трубки. Исходя из условия неповреждаемости клубней картофеля и эффективности сепарации установлены рациональные параметры и режимы работы элеватора с «бегущими» каскадами: внешний диаметр трубки комбинированного прутка 0,025 м; диаметр активатора 0,07 м; высота навивки 0,015 м; угловой шаг спирали 0,2 м; угловая скорость активатора 7 рад/с; линейная скорость полотна элеватора 1,8 м/с. Экспериментальные исследования элеватора с «бегущими» каскадами подтвердили расчетные значения. Исследования кинематики трубок комбинированных прутков показали, что при внешнем диаметре 0,025 м трубка совершает 3,5 оборота на 1 м пробега полотна, в результате получены рациональные значения скорости полотна элеватора находятся в пределах 1,8...1,85 м/с и частоты вращения активатора в пределах 75...80 об/мин. При этих режимах достигается наилучшая сепарация почвы, равная 0,90.

7. Экспериментальными исследованиями повреждаемости клубней картофеля копром с бойками различной формы и площадью рабочей поверхности установлено, что минимизировать повреждения клубней картофеля возможно, увеличив площадь контакта клубня с рабочими

поверхностями. Оптимальная площадь, исходя из условия минимальных повреждений клубней, будет:

- плоского бойка - 2,4...2,7 см2, поврежденный объем менее 0,1 см3;

- сферического бойка - 2,3...2,7 см2, поврежденный объем 0,4 см3;

- цилиндрического бойка - 2,4...2,7 см2, поврежденный объем 0,6 см3.

Установлено, что для всех трёх типов бойков критической является

площадь 1,4 см2, меньше которой наблюдается значительное увеличение внутренних повреждений клубней картофеля.

8. Установлено, что оперативный контроль внутренних повреждений клубней картофеля можно осуществлять наложением на них давления в жидкости. Прибор для определения повреждений клубней должен содержать герметизирующуюся емкость, систему подачи воздуха, манометр для контроля давления в емкости, уровнемер рабочей жидкости и вытеснитель, расположенный на крышке прибора. Работа прибора осуществляется следующим образом. В емкость закладывается отобранная проба картофеля с массой клубней не менее 50...70 г, заливается водой и замеряется общий объем пробы. Емкость плотно закрывается крышкой и в ней нагнетается избыточное давление воздуха. По величине падения уровня жидкости в течение 1...2 минут определяется степень повреждения клубней. Установлено, что для достоверного определения степени повреждения клубней достаточна масса пробы 6,5...7 кг, 4...5 л рабочей жидкости, рабочее давление не превышающее 0,3 МПа.

9. В результате экспериментальных исследований установлена связь между подачей почвенно-картофельного вороха и скоростью сепарирования почвы на прутковом элеваторе. Подача вороха определяется скоростью уборочной машины и параметрами подкапывающих рабочих органов, а скорость сепарирования зависит от величины просветов менаду прутками, работы интенсификатора, площади элеватора и свойств почвы. Для обеспечения рациональной подачи вороха предложено использовать устройство контроля просева почвы. Устройство состоит из инерционного датчика, который устанавливается под полотно сепарирующего элеватора, сравнивающего блока, задатчика и индикаторного табло. Положение пластины с датчиком ДН-3-М1 относительно элеватора будет также определять скорость просеявшихся частиц. При этом скорость частиц, полученная от элеватора, будет преобладать при расположении датчика на расстоянии до 0,1 м от элеватора. Следует учитывать, что просеявшаяся частица за время падения на 0,1 м вниз, пролетит в направлении движения элеватора около 0,25 м.

10. Картофелеуборочный комбайн КПК-2.01, оборудованный модернизированными рабочими органами, с устройством для контроля просева почвы на рабочих органах обеспечивает технологическую надежность

1 и высокую чистоту клубней в бункере около 93,4%. Оптимизация загрузки ' рабочих органов позволила снизить повреждения клубней в 1,7 раза, и • уменьшить общие потери на 3,6% по сравнении с серийным комбайном.

11. Применение предложенной технологии уборки картофеля с активными рабочими органами и оперативным контролем качества в хозяйствах СПК имени Кирова, «ИП Пеныыин В.А. Глава КФХ», СХПК «Трепольский» Михайловского района Рязанской области позволило в среднем снизить общие потери картофеля на 5,3% , а общие повреждения клубней на 6,2%, улучшить контроль рабочего процесса уборочных машин. Экономический эффект от внедрения технологии уборки картофеля с активными рабочими органами и оперативным контролем качества достигается за счет снижения потерь, уменьшения механических повреждений убираемого картофеля на основе переоборудования картофелеуборочного комбайна КПК-2-01 и настройки его в поле составляет 25490 руб в расчете на 1 га при уборке 60 га в год.

Соискателем по теме диссертации опубликовано 53 печатных работы, из них:

- в списке изданий, рекомендованном ВАК, для докторских диссертаций 8 работ:

1. Костенко М.Ю., Горячкина И.Н. Исследование силовых параметров комбинированных прутков сепарирующего элеватора картофелеуборочной машины //Механизация и электрификация с/х. - 2010. - № 2. - С. 3-5.

2. Костенко М.Ю., Горячкина И.Н. Сепарирующий элеватор с комбинированными прутками // Механизация и электрификация с/х - 2009 - № 10.С. 4-5.

3. Костенко М.Ю., Горячкина И.Н. Оптимизация параметров элеватора для сепарации картофельного вороха//Механизация и электрификация с/х. - 2009. -№ 11.-С. 13.

4. Костенко М.Ю., Костенко H.A. Вероятностная оценка сепарирующей способности элеватора картофелеуборочной машины. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №12,2009. С. 4.

5. Костенко М.Ю., Соловкин О.Н., Суздалева Г.Ф. Обоснование конструктивных и кинематических параметров элеватора картофелеуборочной машины //Механизация и электрификация с/х - 2003.- № 12. С. 26-27.

6. Костенко М.Ю., Шапошников А.Н., Горячкина И.Н. Определение внутренних повреждений картофеля// Механизация и электрификация с/х. -2008.-№11.-С. 14.

7. Костенко М.Ю., Шапошников А.Н., Горячкина И.Н., Костенко H.A. Методика настройки картофелеуборочного комбайна // Тракторы и сельхозмашины №11,2009 С. 45-48.

8. Латышенок М.Б., Костенко М.Ю., Горячкина И.Н. Исследование кинематических показателей сепарирующего элеватора с комбинированными прутками //Тракторы и с/х машины. - 2010. - № 1. - С. 41-43.

- в 13 патентах на изобретения и полезные модели:

9. Патент на изобретение РФ № 1813344, кл. А 01 Д 25/04. Выкапывающий рабочий орган. Костенко М.Ю., Успенский И.А., Угланов М.Б. и др. - Опубл. 07.05.93. Бюл.№ 17.

10.Патент на изобретение РФ №2042307 МПК A01D 25/04 Выкапывающий рабочий орган. Костенко М.Ю., Успенский И.А., Лутхов Н.Н., Бойбобоев Н.Г., Тришин А.Ю.- Опубл. 27.08.2000

И. Патент на изобретение РФ № 2147121, кл. 7 G 01 N 33/02, 9/10,A01D 33/08 Способ определения степени повреждения корнеклубнеплодов. Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Русаков С.Г.- Опубл. 27.03.2000.

12. Патент на изобретение РФ № 2164738 МПК A01D 33/08 Сепарирующий элеватор корнеклубнеуборочной машины. Ирециян В.Л., Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю. и др.- Опубл. 10.04.2001

13.Патент на изобретение РФ № 2212779 МПК A01D 33/08 Прутковый элеватор корнеклубнеуборочной машины. Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Шапошников А.Н., Орешкина М.В., Игумнов А.Н. - Опубл. 20.04.2006

14. Патент на изобретение РФ № 2243556 кл. 7 G 01N 33/02, 9/10,A01D 33/08 Способ определения степени повреждения корнеклубнеплодов. Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Шапошников А.Н. - Опубл. 27.12.2004

15. Патент на изобретение РФ №2350066 МПК A01D 33/08. Сепарирующий элеватор корнеклубнеуборочной машины. Авторы: Костенко М.Ю., Суздалева Г.Ф., Тараканова Н.М. Опубл. 27.03.2009 Бюл. №9.

16. Патент на полезную модель РФ №79009 МПК A01D 33/08. Устройство для контроля загрузки сепарирующего элеватора картофелеуборочной машины.. Авторы : Горина Т.В., Костенко М.Ю., Горин B.C., Костенко Н.А. Опубл. 20.12.2008 Бюл. №35.

17. Патент на полезную модель РФ №81031 МПК A01D 33/08. Сепарирующий транспортер уборочной машины.. Авторы : Латышенок М.Б., Костенко М.Ю., Горячкина И.Н., Костенко Н.А. Опубл. 10.03.2009 Бюл. №7.

18. Патент РФ на полезную модель №90292 МПК A01D 33/08. Устройство для управления сепарирующим элеватором картофелеуборочной машины . Авторы : Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Костенко Н.А. Опубл. 10.01.2010 Бюл. №1.

19. Свидетельство на полезную модель № 13595 РФ, Кл. А 01 Д 33/08. Транспортерный рабочий орган для сортировки корнеклубнеплодов. Авторы: Некрашевич В.Ф.., Костенко М.Ю., Соловкин О.Н. Опубл. 10.05.2000. Бюл. № 13.

20. Свидетельство на полезную модель РФ № 23989, кл. 7 G 01 N 33/02. Прибор для определения степени повреждения корнеклубнеплодов. Авторы : Некрашевич В.Ф.., Костенко М.Ю., Шапошников А.Н. Опубл. 2002.

21. Свидетельство на полезную модель РФ № 30488 , кл. А 01 Д 33/08. Сепарирующий элеватор корнеклубнеуборочной машины. Авторы : Костенко М.Ю., Суздалева Г.Ф. Опубл. 10.07.2003. Бюл. № 19.

- в монографии:

22. Костенко М.Ю. Теоретические вопросы применения элеваторов с комбинированными прутками в картофелеуборочных машинах// Монография.-Рязань, РГАТУ - 53 с.

- в других научных изданиях:

23. Костенко М.Ю., Астахова E.H., Горячкина И.Н., Костенко H.A. Улучшение условий труда механизаторов при уборке картофеля // Вестник РГАТУ, №1,2010,-Рязань, РГАТУ .-С. 47-49.

24. Костенко М.Ю., Астахова Е.М., Тараканова Н.М., Горячкина И.Н. Исследование кинематических характеристик комбинированного прутка с учетом вращения трубок//Сб. научных трудов РГАТУ им. П.А. Костычева. Рязань: РГАТУ им. П.А. Костычева, 2008. - С. 142-146.

25. Костенко М.Ю., Горина Т.В., Костенко H.A. Контроль технологического процесса картофелеуборочных машин. // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО РГАТУ имени П.А.Костычева, Рязань, 2008 - С.69-70.

26. Костенко М.Ю., Горячкина И.Н., Костенко H.A. Исследование сепарирующей способности элеватора с «бегущими каскадами» // Вестник РГАТУ, №1,2010,-Рязань, РГАТУ.-С. 49-50.

27. Костенко М.Ю., Кипарисов Н.Г., Соловкин О.Н., Костенко H.A. Анализ динамического воздействия на клубненосный пласт //Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы с/х производства. Сборник научных трудов,- Вып.4, ч.2.- Рязань: РГСХА, 2000 -С. 7-9.

28. Костенко М.Ю., Кипарисов Н.Г. Определение повреждений клубней картофеля методом коронного разряда // Сборник научных трудов./ Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Часть 2. - Рязань: Информационные технологии, 1999. -138 с.

29. Костенко М.Ю., Костенко H.A. Исследование сепарирующей способности прутковых элеваторов. // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО РГАТУ имени П.А.Костычева, Рязань, 2008-С. 146-148.

30. Костенко М.Ю., Костенко H.A. К вопросу расположения датчика контроля сепарации элеватора картофелеуборочной машины // Вавиловские чтения-2010: Материалы Межд. науч.-практ. конф. в 3 томах- Саратов: Изд-во Кубик, 2010-Т.,- С.310-312.

31. Костенко М.Ю., Костенко H.A., Соловкин О.Н. Обоснование просветов между комбинированными прутками элеватора картофелеуборочной машины. Сборник научных трудов. Рязань: РГСХА, 2002 - С. 345 - 347.

32. Костенко М.Ю. Механизированная уборка картофеля.// Сборник научных трудов./ Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Часть 2. - Рязань: Информационные технологии, 1999. - 138 с.

33. Костенко М.Ю. Моделирование технологического процесса картофелеуборочной машины.// Сборник научных трудов./ Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Часть 1. — Рязань: Облстатуправление, 1998.-98 с.

34. Костенко М.Ю. Настройка уборочной машины.// Сборник научных трудов./ Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Часть 2. - Рязань: Информационные технологии, 2000. -138 с.

35. Костенко М.Ю., Некоторые аспекты построения технологических схем картофелеуборочных машин.// Юбилейный сборник научных трудов сотрудников и аспирантов РГСХА. - Рязань: Сахара, 1999. - 294 с.

36. Костенко М.Ю., Некрашевич В.Ф., Русаков С.Г. Оперативный контроль повреждений картофеля при его уборке.// Юбилейный сборник научных трудов сотрудников и аспирантов РГСХА. - Рязань: Сахара, 1999. - 294 с.

37. Костенко М.Ю. Повреждаемость клубня картофеля.// Сборник научных трудов./ Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Часть 1. - Рязань: Информационные технологии, 1999. -146 с.

38. Костенко М.Ю., Русаков С.Г., Гаврилов С.Б., Соловкин О.Н. Исследование взаимодействия клубня с деформатором при ударе //Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы с/х производства. Сборник научных трудов,- Вып.З, ч.2.- Рязань: РГСХА, 1999 - С. 57-60.

39. Костенко М.Ю., Русаков С.Г. Объёмное сжатие клубня картофеля. // Сб. научных трудов. Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве. - Рязань: НПЦ Информационные технологии, 2000. - С.-334.

40. Костенко М.Ю., Суздалева Г.Ф. Исследование скорости сепарации почвы элеватором с комбинированными прутками." Сборник научных трудов. Рязань: РГСХА, 2003 - С. 77-78.

41. Костенко М.Ю., Суздалева Г.Ф. Качественные показатели работы картофелеуборочных машин, оборудованных элеватором с комбинированными прутками. Сборник научных трудов. Рязань: РГСХА, 2004-С. 23-25

42. Костенко М.Ю., Суздалева Г.Ф. Исследование кинематических характеристик комбинированного прутка с учетом вращения трубок. Сборник научных трудов. Рязань: РГСХА, 2004 - С.171-175.

43. Костенко М.Ю.,1 Ша'пшиников А.Н. Анализ способов определения повреждений картофеля.// Сб. науч. тр. аспирантов, соискателей и сотрудников РГСХА. - Рязань, 2001. - С. 348-350.

44. Костенко М.Ю., Шапошников А.Н. Использование упругих свойств механически повреждённых и неповреждённых тканей клубня картофеля для определения его степени повреждения.// Сборник научных трудов,

посвященный 50-летию кафедр «ЭМТП» и «ТМ и РМ» инженерного факультета РГСХА. - Рязань, 2003. - с. 68-70.

45. Латышенок М.Б., Горячкина И.Н., Костенко М.Ю. Экспериментальные исследования режимов элеватора с «бегущими» каскадами // Вестник РГАТУ,№3,2010,-Рязань, РГАТУ.-С. 67-69.

46. Латышенок М.Б., Костенко М.Ю., Горячкина И.Н. Прибор для определения внутренних повреждений картофеля//Сб. научных трудов РГАТУ им. П.А. Костычева. - Рязань. - 2008. - С. 185-188.

47. Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Костенко H.A., Горячкина И.Н. Результаты исследования интенсивности сепарации на лабораторном прутковом элеваторе при регулировании загрузки. // Вестник РГАТУ,№3, 2010,-Рязань, РГАТУ.-С. 70-72.

48. Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю., Шапошников А.Н. Прибор для оперативного контроля повреждений картофеля.// Сб. науч. тр. аспирантов, соискателей и сотрудников РГСХА. - Рязань, 2001. - С. 342-344.

49. Русаков С.Г., Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю. Повреждаемость картофеля при механизированной уборке.// Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и сотрудников Рязанской государственной академии имени проф. Костычева П.А. Том 2. - Рязань: Типография № 13, 1997. - С.108-110.

50. Русаков С.Г., Некрашевич В.Ф., Костенко М.Ю. Способы отделения повреждённого кортофеля. // Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и сотрудников Рязанской государственной академии имени проф. Костычева П.А.Том 2.-Рязань: Типография № 13, 1997.-С.110-112.

51. Успенский И.А., Лутхов H.H., Костенко М.Ю. Совершенствование конструкции подкапывающих рабочих органов картофелеуборочных машин// Сборник научных трудов/ ВСХИЗО - агропромышленному комплексу. -Москва: ВСХИЗО, 1994. - С. 91-92.

52. Успенский И.А., Лутхов H.H., Костенко М.Ю. Исследование силового взаимодействия дисковых рабочих органов с почвой // Сборник научных трудов/ ВСХИЗО - агропромышленному комплексу. - Москва: ВСХИЗО, 1994. -С. 92-93.

53. Улитовский И.А. Успенский И.А. Костенко М.Ю. К вопросу сохранности убранного картофеля// Чувашская ГСХА тезисы докладов 10-ой научно-практической конференции ВУЗов Поволжья и Предуралья. Чебоксары - 1998, -С. 31-32.

Бумага офсетная. Гарнитура Times, Печать лазерная Усл. печ. л.2.5 Тираж ЮОэкз. Заказ № 529 подписано в печать 08.02.2011 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1 Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГОУ ВПО РГА ТУ 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1

ФГОУ впо

Рязанский государственный агротехнологический университет

имени П.А. Костычева

На правах рукописи

05201151042 Костенко Михаил Юрьевич

Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Некрашевич В.Ф

Рязань-2011

Аннотация

Целью диссертации является повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народно-хозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан краткий анализ существующих технологий, способов и технических средств для уборки, оперативного контроля качества картофеля и регулирования технологических процессов картофелеуборочных машин.

Во втором разделе представлена научная проблема, обоснована цель и задачи исследований.

В третьем разделе представлены исследования активных подкапывающих рабочих органов.

В четвертом разделе представлены исследования процесса сепарации почвы, обоснование параметров и исследования активных сепарирующих органов с комбинированными прутками.

В пятом разделе представлены исследования способа и технических средств оперативного определения повреждений картофеля.

В шестом разделе представлены исследования устройства контроля технологического процесса картофелеуборочных машин.

В седьмом разделе представлена технологии уборки с применением оперативного контроля качества и активных рабочих органов картофелеуборочных машин, а также рассчитана экономическая эффективность её внедрения.

Сделаны выводы и даны рекомендации по внедрению разработанной технологии уборки. Представлены список используемой литературы и приложения.

Содержание

Введение 8

1 Анализ технологий возделывания и уборки картофеля, рабочих процессов уборочных машин и контроля качества во время уборки картофеля 15

1.1 Анализ технологий возделывания картофеля 15

1.2 Анализ конструктивных особенностей картофелеуборочных машин 22

1.3 Анализ конструкций рабочих органов картофелеуборочных машин 35

1.4 Анализ физико-механических свойств почвы и клубней картофеля 53

1.5 Анализ выполненных исследований по подкапыванию и сепарации почвенного пласта 67 Заключение 79

2 Проблема механизированной уборки картофеля в сложных полевых условиях 81

2.1 Модель комбайновой технологии уборки картофеля 86

2.2 Постановка научной проблемы. Цель работы и задачи исследований 93

3 Исследование активных подкапывающих рабочих органов 97

3.1 Теоретическое обоснование конструкции подкапывающих рабочих органов 97

3.2 Программа и методики экспериментальных исследований активных подкапывающих рабочих органов 108

3.2.1 Методика проведения лабораторных исследований Установка и аппаратура для проведения экспериментальных исследований 109

3.2.2 Методика полевых исследований картофелеуборочных машин

с экспериментальными подкапывающими органами 114

3.3 Результаты лабораторных исследований экспериментального подкапывающего рабочего органа 118

3.4 Результаты полевых исследований картофелеуборочных машин

с экспериментальными подкапывающими органами 125

Выводы 130

4 Исследование активных сепарирующих рабочих органов с комбинированными прутками 131

4.1 Конструктивно-технологическая схема сепарирующего элеватора с «бегущими» каскадами 131

4.2 Исследование процесса сепарации с учетом фракционного состава вороха 134

4.3 Теоретические исследования комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 139

4.4 Моделирование кинематики трубки комбинированного прутка 147

4.5 Исследование взаимодействия комбинированного прутка с активатором. 155

4.6 Теоретическое обоснование шага расстановки комбинированных прутков 161

4.7 Программа и методики экспериментальных исследований активных сепарирующих рабочих органов 165

4.7.1 Методика лабораторных исследований активных сепарирующих рабочих органов. Описание лабораторной установки 166

4.7.2 Методика исследования частоты вращения трубок комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 171

4.7.3 Методика исследования интенсивности сепарации на элеваторе с «бегущими» каскадами 174

4.7.4 Методика исследования шага расстановки и параметров комбинированных прутков на потери сепарирующего элеватора 177

4.7.5 Методика исследования влияния размеров частиц почвы на их сепарируемость 180

4.7.6 Методика исследования картофелеуборочных машин, оборудованных сепарирующим элеватором с комбинированными прутками в полевых условиях 181

4.8 Результаты лабораторных исследований сепарирующего элеватора с комбинированными прутками 184

4.8.1 Результаты исследования кинематики трубок комбинированных прутков элеватора с «бегущими» каскадами 184

4.8.2 Результаты исследования сепарирующей способности элеватора с «бегущими» каскадами при различных режимах интенсификации 189

4.8.3 Результаты исследований шага расстановки комбинированных прутков 195

4.9 Результаты полевых экспериментальных исследований 197

4.9.1 Результаты исследования влияния размеров частиц почвы на сепарируемость почвы в картофелеуборочных комбайнах 197

4.9.2 Результаты полевых исследований картофелеуборочных машин, оборудованных экспериментальным элеватором с комбинированными прутками 199 Выводы 208 5 Исследование способа и технических средств определения внутренних повреждений клубней методом наложения давления в жидкости 211

5.1 Теоретическое обоснование конструкции, параметров и режимов работы прибора оперативного контроля повреждения клубней картофеля 217

5.2 Программа исследований повреждённых клубней картофеля в приборе оперативного контроля 225

5.2.1 Методика исследования повреждаемости клубней картофеля

на маятниковом копре 226

5.2.2 Методика определения зависимостей относительной объёмной

деформации клубней картофеля различных сортов от действующего на них избыточного давления 232

5.2.3 Методика определения оптимального рабочего давления прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля 237

5.2.4 Методика определения зависимости относительной объёмной деформации клубней картофеля от степени их механического повреждения 238

5.2.5 Методика исследования повреждений клубней картофеля на рабочих органах комбайна КПК-2.01 с помощью прибора оперативного контроля повреждений клубней картофеля 241 5.3 Результаты экспериментальных исследований повреждаемости клубней картофеля 247

5.3.1 Результаты лабораторных исследований повреждаемости клубней картофеля на маятниковом копре 247

5.3.2 Результаты лабораторных исследований относительной деформации клубней картофеля на приборе оперативного контроля повреждений 252

5.3.3 Результаты полевых исследований повреждений картофеля с использованием прибора оперативного контроля повреждений 258 Выводы 262 6 Исследование устройства контроля технологического процесса картофелеуборочных машин 264 6.1. Конструктивная схема устройства контроля работы пруткового элеватора по просеву почвы 264

6.2 Теоретическое обоснование установки датчика контроля сепарации под элеватором 266

6.3 Программа и методики экспериментальных исследований устройства контроля сепарирующего элеватора

270

6.3.1 Описание лабораторной установки 271

6.3.2 Методика лабораторных исследований интенсивности сепарации пруткового элеватора с помощью устройства контроля 272

6.3.3 Методика определения качественных показателей работы картофелеуборочных машин 275

6.4 Результаты исследования влияния интенсивности сепарации прутковом элеваторе на показания устройства контроля 278

6.5 Результаты исследования влияния оптимальной загрузки рабочих органов на качественные показатели работы картофелеуборочных комбайнов 280 Выводы 284 7 Организационно-экономические аспекты технологии уборки картофеля с применением активных рабочих органов и оперативного контроля качества работы картофелеуборочных

машин 286

7.1 Теоретические основы технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин 286

7.2 Методика настройки картофелеуборочной машины с учётом оперативного контроля качества уборки картофеля 291

7.3 Результаты внедрения технологии уборки картофеля с применением оперативного контроля качества работы картофелеуборочных машин 298

7.4 Экономическая эффективность технологии уборки картофеля с применением активных рабочих органов и оперативным контролем качества работы уборочных машин 311 Выводы 329 Общие выводы 331 Литература 336 Приложения 361

Введение

Картофель в мировом производстве занимает четвёртое место среди продуктов питания после пшеницы, кукурузы и риса. Являясь ценным источником высококачественного протеина, витаминов, минералов и углеводов картофель в некоторых странах является одним из главных продуктов питания растительного происхождения для человека [242].

В мировом производстве картофеля задействовано около 18 млн. га посадочных площадей. Большая часть этих площадей приходится на территорию бывшего Советского Союза - около 6,6 млн. га (на Российскую Федерацию приходится 2,2 млн. га); далее на территорию Европы - около 5,3 млн. га; а также Азии - около 4,3 млн. га (по данным на 1999 год) [242].

Значимость картофеля подчёркивают объёмы его потребления. Так в Российской Федерации выращивается более 200 кг в год на человека, в Великобритании - 90 кг, в Нидерландах - 150 кг, во Франции - 100 кг [85].Урожайность по Европе и РФ составляет в среднем около 20 т с гектара, в Великобритании - около 35 т/га, во Франции - около 30 т/га, лидирующее место занимают Нидерланды - более 40 т/га, в США — около 37 т/га [85, 242].

Число хозяйств, занимающихся выращиванием картофеля, постоянно сокращается. В 1991 году в Рязанской области картофель возделывали 326 сельхозпредприятий, в 1995 — 184, в 2000 году - 112, в 2003 году - 99 сельхозпредприятий [166, 216, 231].

Начиная с 2003 года, сохранялась тенденция к снижению площадей, занимаемых под картофель. Принятая в Рязанской области региональная программа «Картофель» на 2009-2012 годы дала импульс развитию картофелеводства. В 2009 году в сельхозпредприятиях, крестьянских и фермерских хозяйствах картофель был размещен на площади 5,6 тыс. га (плюс 2,1 тыс. га к 2008 году). В этих хозяйствах собрано 126,4 тыс. тонн, урожайность составила 238,1 ц/га. Во всех категориях хозяйств собрано 450,3 тыс. тонн картофеля (плюс 66,7 тыс. тонн к 2008 году) [192].

Производство картофеля связано с большими энерго- и трудозатратами. При этом до 75% всех затрат приходится на заключительную стадию всего процесса - уборку урожая. Применение комбайнов позволяет сократить в 3-5 раз затраты труда на уборку картофеля, снизить на 30% потери урожая. Таким образом, подъем уровня механизации при производстве картофеля, основанный на внедрении усовершенствованных рабочих органов картофелеуборочных машин, будет способствовать более эффективному развитию этой очень важной отрасли сельского хозяйства - картофелеводства.

В настоящее время потери урожая картофеля достигают 25-30%. Из них при механизированной уборке — до 13 %, при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке — до 5-9 %, и при хранении и сортировке -до 7-10% [89,217].

В настоящее время значительная часть посадок картофеля приходится на тяжелые почвы, на которых механизированная уборка либо затруднена, либо невозможна при высокой влажности почвы. Это связано со сгруживанием почвы на подкапывающих рабочих органах, залипанием рабочей поверхности прутковых элеваторов и отсутствием сепарации почвы. При уборке в дождливую и холодную погоду и при невызревшем картофеле, наносятся значительные механические повреждения - нередко до 40-60% и более, в связи, с чем снижаются их качество и лежкость при хранении [226].

Механические повреждения клубней картофеля зависят как от конструктивных особенностей рабочих органов, так и от соответствия настройки картофелеуборочной машины условиям её работы, сложившиеся на момент уборки. Неправильно подготовленный картофелеуборочный комбайн в процессе работы может повреждать до 60% клубней [107, 196], что говорит о необходимости своевременного контроля качества убранного картофеля.

Цель работы — повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем

разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.

Объект исследований. Технологии производства картофеля, картофелеуборочные машины и их рабочие органы, свойства компонентов картофельного вороха, способы оперативного контроля качества уборки картофеля.

Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов рабочих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля качества уборки картофеля.

Методика исследования. Теоретический анализ работы

подкапывающих и сепарирующих рабочих органов и способов контроля качества уборки картофеля проведены с использованием методов теории вероятностей и механико-математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием частных и отраслевых методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. При обработке результатов исследований использовалась программа «8ТАТ18Т1СА». Оценка полевых испытаний картофелеуборочных машин и способов контроля повреждений клубней картофеля проводилась согласно ОСТ 10.8.5 -87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методика испытаний».

Научная новизна работы представлена: совокупностью технологических приемов, образующих технологию уборки картофеля в сложных полевых условиях, включающую подкапывание клубненосного пласта с применением приводных подкапывающих рабочих органов; сепарацию с применением элеваторов, оснащенных активными прутками и

активаторами; систему оперативного контроля технологического процесса картофелеуборочных машин, включающую способ и прибор оперативного определения повреждений клубней, устройство поддержания загрузки элеватора. Научная новизна обеспечена: теоретическими и экспериментальными моделями энергозатрат подкапывающего рабочего органа; вероятностной моделью процесса сепарации почвы на прутковом элеваторе, учитывающей фракционный состав картофельного вороха; теоретической моделью кинематики и динамики активных прутков элеватора с «бегущими каскадами»; теоретическим обоснованием способа и прибора для контроля повреждений картофеля методом повышения давления; аналитическими выражениями для установки датчиков контроля просева почвы прутковым элеватором. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение №1813344, №2042307, №2147121, №2164738, №2212779, №2243556, №2350066, и на полезную модель №13595, № 23989, № 30488, №79009, №81031, №90229.

Основными полученными результатами являются:

разработанная конструктивно-технологическая схема подкапывающего рабочего органа с активными дисками;

теоретически обоснованные режимы и параметры работы предложенного подкапывающего органа;

- результаты исследования рабочего процесса подкапывающего органа в лабораторных и производственных условиях;

- теоретическое обоснование процесса сепарации почвы на прутковом элеваторе с учетом фракционного состава;

- разработанная конструктивно-технологическая схема сепарирующего элеватора с комбинированными прутками;

- теоретическое обоснование параметров и режимов работы сепарирующего элеватора с комбинированными прутками;

- рациональные значения параметров сепарирующего элеватора с комбинированными прутками и интенсификаторов, режимы их работы;

- результаты исследования рабочего процесса сепарирующего элеватора с комбинированными прутками и интенсификаторов сепарации в производственных условиях;

- способ и конструктивно-техно