На правах рукописи Паршков Андрей Викторович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОРГАНА ВТОРИЧНОЙ СЕПАРАЦИИ КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ Специальность: 05.20.01 ­«Технологии и средства механизации сельского хозяйства». АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учрнпй і ч т » » ­ кандидата техі IIIII11IIІІІІII Рязань 2008 Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Рязанский агротехнологический университет имени П.А. Костычева» государственный Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Борычев Сергей Николаевич (ФГОУ ВПО «Рязанский ГАТУ») Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Макаров Валентин Алексеевич (ГНУ ВНИМС, г. Рязань). кандидат технических наук, доцент Махнач Владимир Сергеевич (ФГОУ ВПО «Рязанский ГАТУ») Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский НИИ картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха», п. Коренёво, Московская обл. Защита состоится 16 декабря 2008 г. в 10— на заседании диссертационного совета Д 220.057.02. при ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева». Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1, ученому секретарю диссертационного совета Д 220.057.02. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» Автореферат разослан « 14 » ноября 2008г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент d /А.В. Шемякин/ 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Среди продуктов питания, картофель занимает особое место, оказывая существенное влияние, как на формирование структуры рынка, так и на обеспечение продовольственной безопасности России, которая является одним из мировых лидеров по валовому производству данной культуры, составившему в 2007г. в нашей стране 36,8 млн.т, при урожайности 12,8 т/га. По данным Федеральной службы государственной статистики производство картофеля за последние годы в целом по стране растет, несмотря на постоянное сокращение посевных площадей. Имеется необходимость повышения эффективности сельскохозяйственного производства данной культуры не только за счет увеличения ее урожайности, но и посредством широкой механизации технологии возделывания и уборки, что является одним из обязательных условий высокорентабельного выращивания картофеля в любых почвенно­климатических условиях. На сегодняшний день использование комбайнового способа уборки является наиболее перспективным, т.к. при наименьших затратах труда позволяет организовать технологический цикл «уборка — транспортировка ­ потребитель». Но при данном способе имеет место достаточно большое количество поврежденных клубней, кроме того, при поставке урожая потребителям без дополнительной доочистки даже небольшое количество растительных и почвенных примесей является неприемлемым. В настоящее время из­за нехватки техники остро стоит вопрос выполнения агротехнических сроков проведения механизированных работ. Практика работы современных картофелеуборочных машин показывает, что они в должной мере не удовлетворяют агротехническим требованиям, и даже при оптимальных условиях уборки в таре для клубней имеется значительное количество почвы и растительных примесей, что связано с несовершенством сепарирующих органов. В связи с этим создание, совершенствование, обоснование параметров рабочих органов картофелеуборочных машин, в том числе органов вторичной сепарации, является актуальной задачей. Работа выполнена по плану НИР ФГОУ ВПО «Рязанский ГАТУ имени П.А.Костычева» на 2000...2010гг. по теме №19 от 17.01.2001 «Комплексное решение механизированной уборки картофеля» и согласуется с действиями правительства РФ (постановление № 446 от 14.07.2007 ­ О государственной программе развития сельского хозяйства на 2008...2012г.), предусматривающими "...ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий". Цель исследований. Повышение эффективности технологического процесса вторичной сепарации картофелеуборочной машины за счет снижения потерь и повреждений клубней путем совершенствования рабочего органа вторичной сепарации. V! 4 Задачи исследований: 1. Обобщить результаты научных исследований органов вторичной сепарации картофелеуборочных машин и выявить перспективное направление их совершенствования. 2. Усовершенствовать конструктивно­технологическую схему органа вторичной сепарации картофелеуборочной машины с целью обеспечения выполнения технологического процесса в пределах агротехнических требований; 3. Обосновать рациональные параметры и режимы работы усовершенствованного рабочего органа на основе механико­математического моделирования технологического процесса вторичной сепарации примесей в картофелеуборочных машинах. 4. Провести лабораторные исследования усовершенствованного органа вторичной сепарации, с целью оптимизации конструктивных и кинематических параметров и режимов его работы. 5. Установить закономерности изменения физико­механических и размерных характеристик компонентов куста культуры картофеля широко распространенных в центральной полосе России сортов на протяжении уборочного периода, а также уточнить некоторые известные характеристики компонентов клубненосного вороха. 6. Определить агротехнические показатели и режимы работы серийных и усовершенствованных картофелеуборочных машин при полевых испытаниях. 7. Определить технико­экономическую эффективность применения усовершенствованного органа вторичной сепарации на картофелеуборочных машинах. Объекты исследований. Картофелеуборочные машины, технологический процесс и рабочий орган вторичной сепарации картофелеуборочной машины, физико­механические и размерные характеристики компонентов клубненосного вороха. Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологического процесса вторичной сепарации в картофелеуборочной машине. Закономерности изменения физико­ механических и размерных характеристик компонентов куста картофеля на протяжении уборочного периода. Методика исследований. Теоретические исследования выполнены на основе механико­математического моделирования технологического процесса вторичной сепарации клубненосного вороха, в том числе с использованием программы «MathCAD». Обоснование конструктивных и кинематических параметров, а также расчет эксплуатационных показателей рабочего органа проводились как по известным, так и по разработанным оригинальным методикам. Исследование изменения физико­механических и размерных характеристик компонентов клубненосного вороха проводилось с использованием пакета программ «Statistica». Экспериментальные исследования агротехнических показателей работы усовершенствованного рабочего органа выполнены с использованием теории планирования 5 полнофакторного эксперимента (далее ПФЭ). Обработка результатов исследований проведена методами математической статистики. Научная новизна: 1. Механико­математическая модель технологического процесса вторичной сепарации усовершенствованным рабочим органом, состоящим из сепарирующей горки с вращающимся клубнеотражателем, снабженным обрезиненными пальцами, обеспечивающим более полное выделение растительных примесей и минимальные повреждения урожая за счет исключения защемления клубней между полотном горки и клубнеотражателем. 2. Закономерности изменения физико­механических и размерных характеристик компонентов куста культуры картофеля на протяжении уборочного периода. 3. Математические модели, полученные на основе экспериментальных исследований усовершенствованного рабочего органа вторичной сепарации, характеризующие количество потерь, повреждений клубней и полноту сепарации почвенных и растительных примесей в зависимости от подачи вороха, количества клубней в ворохе не отделенных от ботвы, рабочего зазора между полотном горки и валом клубнеотражателя, частоты вращения клубнеотражателя. Практическая ценность работы: 1. Конструктивно­технологическая схема рабочего органа вторичной сепарации (патент РФ № 63637), включающего продольную прямоточную сепарирующую горку, с установленным над её поверхностью клубнеотражателем, снабженным обрезиненными пальцами с закругленной вершиной и размещенными по всей рабочей поверхности клубнеотражателя на равном расстоянии друг от друга. 2. Закономерности изменения физико­механических и размерных характеристик компонентов куста культуры картофеля сортов различной скороспелости на протяжении уборочного периода. 3. Результаты оценки агротехнических показателей работы картофелеуборочных комбайнов с сепарирующей горкой оснащенной клубнеотражателем с пальцами. 4. Результаты оценки технико­экономической эффективности применения картофелеуборочных комбайнов КПК­2­01 с сепарирующей горкой оснащенной клубнеотражателем с пальцами. Достоверность основных положений подтверждена сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований (расхождения менее 5%), а также положительными результатами полевых испытаний. Реализация результатов исследования. На основании проведенных исследований изготовлены опытные образцы рабочего органа вторичной сепарации, которыми оборудованы картофелеуборочные комбайны семейства «КПК», успешно прошедшие полевые испытания на полях Рязанской и Тульской областей на общей площади более 150 га. Материалы исследований переданы на ОАО «Рязанский завод сельскохозяйственного машиностроения» и ООО «РКЗ­комплект», где они используются при разработке и 6 проектировании новых и модернизации серийных органов вторичной сепарации картофелеуборочных комбайнов семейства «КПК». Основные положения, выносимые на защиту: 1. Усовершенствованная конструктивно­технологическая схема рабочего органа вторичной сепарации ­ продольная прямоточная сепарирующая горка с клубнеотражателем, снабженным обрезиненными пальцами; 2. Механико­математическая модель процесса вторичной сепарации клубненосного вороха в картофелеуборочной машине усовершенствованным органом вторичной сепарации; 3. Закономерности изменения физико­механических и размерных характеристик компонентов куста картофеля сортов различной скороспелости на протяжении уборочного периода, а также результаты исследования характеристик компонентов клубненосного вороха. 4. Математические модели, характеризующие полноту сепарации почвенных и растительных примесей, потери и повреждения урожая при работе сепарирующей горки оснащенной клубнеотражателем с пальцами, полученные в результате лабораторных исследований эффективности её функционирования. 5. Результаты полевых испытаний и исследований эффективности функционирования усовершенствованных и серийных комбайнов КПК­2­01. 6. Результаты технико­экономической оценки применения разработанного органа вторичной сепарации на картофелеуборочных комбайнах КПК­2­01. Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на: всероссийских и международных научных конференциях ФГОУ ВПО «Рязанский ГАТУ имени П.А. Костычева» (2005...2008 гг.); ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2005 г.); ГНУ «ВНИИКХ имени А.Г. Лорха» (2006, 2008 г.); ФГОУ ВПО «Брянская ГСХА» (2006 г.); ФГОУ ВПО «Московский ГАУ имени В.П. Горячкина» (2005...2008 гг.), ГОУ «Мордовский ГУ имени Н.П. Огарева» (2007 г.). Публикации. По теме диссертационной работы получен 1 патент РФ, опубликовано 13 печатных работ, в том числе: 2 ­ в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 2 ­ в зарубежных изданиях; 7 ­ в международных сборниках, 2 ­ во всероссийских сборниках. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 165 наименований, в том числе 17 на иностранных языках и приложения. Работа изложена на 142 страницах текста, содержит 22 таблицы и 38 рисунков. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы средств механизированной уборки картофеля и рабочих органов вторичной сепарации, сформулированы основные положения работы, выносимые на защиту. В первой главе «Современное состояние технологий уборки и средств вторичной сепарации в картофелеуборочных машинах» проведен анализ состояния вопроса и определены задачи исследования. 7 Рассмотрены научные исследования органов вторичной сепарации и их применения на картофелеуборочных машинах, изложенные в работах Н.В.Бышова, Л.А. Вергейчика, Н.И. Верещагина, Н.Г. Гладкова, Л. Даневски, Н.Ф. Диденко, И.М. Зорина, Н.Н. Колчина, А.П. Кроптова, В.Ю. Кривошеева, М.Н. Летошнева, Г.Л. Нерсисяна, Г.Д. Петрова, А.А.Попова, Г.К. Рембаловича, А.А. Сорокина, Г.Д. Терского, Н.В. Тютрина, М.Б. Угланова, В.А. Хвостова, G. Ertelt, Н. Gall, W. Noack, W. Rosel и др. В результате сделан вывод, что на данный момент наиболее перспективной является продольная прямоточная пальчатая горка с установленным над её поверхностью клубнесбрасывающим устройством. Проведенный анализ конструктивных особенностей и агротехнических показателей данных рабочих органов показал, что ни одна из существующих сепарирующих горок не обеспечивает в полной мере выполнения всех предъявляемых требований, а дальнейшее их совершенствование необходимо вести в направлении уменьшения потерь и повреждений клубней, а также повышения производительности уборочных машин в условиях высокой засоренности вороха растительными примесями (ботвой), что особенно характерно для ранних сроков уборки культуры. Установлено, что при уборке картофеля на процесс отделения примесей в значительной мере оказывают влияние физико­механические и размерные характеристики компонентов клубненосного вороха, которые меняются на протяжении всего уборочного периода. Закономерности изменения этих характеристик необходимы как исходные данные при моделировании технологического процесса вторичной сепарации вороха, а также при обосновании параметров рабочего органа картофелеуборочной машины. Во второй главе «Теоретические исследования эффективности функционирования органа вторичной сепарации картофелеуборочной машины» по результатам анализа рабочих органов вторичной сепарации и их применения на картофелеуборочных машинах предложена конструктивно­технологическая схема сепарирующего органа (рис.1), включающего в себя разделительную горку 1, с установленным над её поверхностью клубнеотражателем 8, снабженным обрезиненными пальцами 9 с закругленной вершиной, и размещенными продольными рядами по всей его рабочей поверхности на равном расстоянии друг от друга (патент РФ №63637). Картофельный ворох транспортером загрузки 5 (рис. 1) подается на рабочую ветвь 2 сепарирующей горки 1, где происходит процесс сепарации вороха благодаря различным физико­механическим и размерно­массовым свойствам компонентов. При этом, основная масса клубней скатывается на выгрузной транспортер 6, а примеси удерживаются пальцами полотна и поднимаются вверх к клубнеотражателю 8, который от привода 10 получает вращательное движение навстречу вороху. Клубни, удерживаемые ботвой, также полотном горки подаются к клубнеотражателю. В результате воздействия пальцев клубнеотражателя на поступающую массу вороха существенно увеличивается сепарирующий эффект устройства за счет отделения ботвы и комков почвы от клубней. 1 ­ разделительная горка; 2 ­ рабочая ветвь сепарирующей горки; 3 ­ обратная ветвь сепарирующей горки; 4 ­ упругие пальцы сепарирующей горки; 5 ­ транспортер загрузки картофельного вороха; 6 ­ транспортер выгрузки клубней картофеля; 7 ­ головной барабан сепарирующей горки; 8 ­ клубнеотражатель; 9 ­ обрезиненные пальцы клубнеотражателя; 10 ­ звездочки привода клубнеотражателя; 11 ­ рама уборочной машины. Рисунок 1 ­ Конструктивно­технологическая схема рабочего органа вторичной сепарации (патент РФ №63637). Разработана механико­математическая модель процесса вторичной сепарации клубненосного вороха усовершенствованным рабочим органом с целью определения рациональных конструктивных и кинематических параметров клубнеотражателя, при которых повреждения и потери урожая не превысят уровня, определенного агротехническими требованиями Для снижения количества повреждений, вызванных защемлением клубней между горкой и клубнеотражателем, обоснована величина рабочего зазора между его валом и вершинами пальцев сепарирующей горки. Зазор должен также удовлетворять условию прохода стеблей ботвы при наиболее неблагоприятном положении клубнеотражателя (позиция А на рис.2), когда расстояние между вершинами его пальцев и пальцами горки минимально. В результате получены неравенства: W v ^ ^ C O s ' / +d3 "виг 'ее — "min — "ботМАХ > • (1) (2) где Ік МАХ­ максимальная длина клубня картофеля (по данным лабораторных исследований), м; Ік ­ длина пальца клубнеотражателя, м; С, ­ угол между осями симметрии пальцев в поперечном сечении клубнеотражателя, рад; Л№ ­ рабочий зазор между валом клубнеотражателя и пальцами сепарирующей горки, м; сІкэмм ­ наименьшая толщина клубня картофеля (по данным лабораторных исследований), м; hKMn ­ минимальное расстояние между вершинами пальцев клубнеотражателя и пальцами сепарирующей горки, м; dfom MAX­ максимальный диаметр стебля ботвы (по данным лабораторных исследований), м. 1 ­ вал клубнеотражателя; 2 ­ палец клубнеотражателя; 3 ­ клубень картофеля; 4 ­ пальцы сепа Рисунок 2 ­ Схема к определению рациональных параметров клубнеотражателя 10 На основании выражений (1) и (2) длина пальца клубнеотражателя принята равной 100 мм, а рабочий зазор между его валом и пальцами сепарирующей горки ­ 117 мм. Для предотвращения выпадения клубней вместе с примесями на поле и обеспечения максимальной производительности устройства произведен расчет шага установки пальцев вдоль оси клубнеотражателя, составившего 50 мм, количество рядов пальцев принято равным пяти (рис. 1 и 2). При данных конструктивных параметрах производительность разработанного органа превышает подачу вороха на сепарирующее устройство двухрядной картофелеуборочной машины в 1,2 раза. При определении рациональной частоты вращения клубнеотражателя рассмотрен наиболее неблагоприятный случай, при котором клубень с ботвой (стеблем со столонами), не сошедший с поверхности горки в связи с тем, что ботва удерживается пальчатым полотном горки, движется к клубнеотражателю (рис.2). Принят ряд допущений: поверхность горки считаем ровной плоскостью с однородными свойствами во всех точках; ворох располагается на горке равномерно и имеет во всех точках одинаковую толщину; компоненты вороха движутся вместе с полотном горки без скольжения или скольжения­качения; материалы, как клубня, так и пальца клубнеотражателя, изотропны (их упругие свойства описываются двумя парами параметров ­ модулями упругости Ек, Е^ и коэффициентами Пуассона fxK , ^ вс ); клубень картофеля имеет форму эллипсоида с гладкой поверхностью; при взаимодействии тел рассматриваем центральный удар клубня с вершиной пальца. По данным исследований наиболее вероятным является то, что стебли ботвы расположены параллельно направлению движения поверхности горки (перпендикулярно клубнеотражателю). Считаем, что ко времени взаимодействия пальца клубнеотражателя и клубня стебель ботвы пройдет в рабочий зазор устройства. Разрушение материала клубня начинается вблизи предела его упругости. Предполагаем, что клубень картофеля в первой фазе удара ведет себя как абсолютно упругое тело. Полотно горки, вместе с которым движется клубень, удерживаемый ботвой (стеблями со столонами), расположено под углом Д, к горизонту, а клубнеотражатель совершает вращательное движение навстречу вороху. С учетом принятых допущений, полагаем, что в момент взаимодействия вектор скорости клубня лежит на общей нормали, на которой находятся центры масс вершины пальца Свс и клубня картофеля Ск, а вектор скорости вершины пальца по отношению к нормали находится под углом Д. (рис.2). Ботва удерживает клубень с силой />&,„,, которая направлена параллельно поверхности горки (рис.2) в сторону движения вороха. Так как условием схода клубнеплода с поверхности полотна горки является отделение его от ботвы, то необходимое для этого усилие, действующее со стороны пальца клубнеотражателя на ворох Р^отр, должно быть больше или равно усилию отрыва ботвы от корнеплода. 11 При взаимодействии соприкасающиеся тела деформируются так, что образуется контактная площадка эллиптической формы (рис.2), а суммарная абсолютная деформация клубня и пальца определится по формуле: А =Иі­~$­Ь­ЪЛ>. (3) где Я ­ суммарная абсолютная деформация клубня и пальца в процессе их соударения, м; пх — коэффициент, зависящий от кривизны главных нормальных сечений взаимодействующих тел в точке контакта; tj ­ упругая постоянная соприкасающихся тел; Рс6в ­ сжимающая сила (равнодействующая давлений по площадке контакта), Н; ЈЈ ­ сумма главных кривизн соприкасающихся тел, м. Для нахождения потенциальной энергии соприкасающихся тел, в нашем случае клубня картофеля и пальца клубнеотражателя воспользуемся условием: №>­­^, (4) где U­ потенциальная энергия упругой деформации соприкасающихся тел, Дж. Выражая из формулы (3) сжимающую силу, по выражению (4) находим потенциальную энергию: (5) Кинетическая энергия клубня при взаимодействии его с пальцем: , V(r,­cos/?,+Kj *.= 2 . (6) где Ею ­ кинетическая энергия клубня при взаимодействии его с пальцем, Дж; Syt ­ ударный импульс взаимодействия клубня с пальцем, кг­м/с; Ѵ к ­ скорость клубня, м/сек; Ѵ ас — скорость вершины пальца клубнеотражателя, м/сек; Д> ­ угол наклона горки, рад. Выражение для ударного импульса взаимодействия тел с учетом наклона полотна горки и усилия, с которым ботва удерживает клубень картофеля на сепарирующей поверхности, примет вид: где Рбот ­ усилие, с которым ботва удерживает клубень картофеля на поверхности полотна горки, Н; т ­ время удара, с. Сжимающую силу Рсдв выразим через контактное напряжение и площадь контакта соударяющихся тел: где (х« ­ величина наибольшего контактного напряжения между клубнем и пальцем, Н/м ; Smm ­ площадь площадки контакта в момент соударения, м2. Величина сжимающей силы не должна превышать максимальную сжимающую нагрузку на клубень, приводящую к каким­либо его повреждениям, равную 25 Н, и, в то же время, не должна быть меньше величины ударной силы, необходимой для отрыва ботвы от клубня для схода его с полотна горки. В результате лабораторных исследований нами установлено, что максимальное усилие отрыва ботвы от клубня картофеля составляет 21,2 Н. 12 Так как кинетическая энергия системы переходит в конце первой фазы удара в потенциальную энергию упругой деформации, с учетом параметров деформации тел в «точке» соприкосновения и формул (3...8), нами получено выражение для нахождения рациональной угловой скорости вращения клубнеотражателя: 2Л 0,53­nx­cosfyai­S'h С +Ь, '5 ­г?2 2г. +­ кнт Ч (о=­ 2/,. ­К ­Р.. (9) ^m­r­(/ec+/?J­cosЈ где ге ­ радиус вершины пальца клубнеотражателя, м; d„ ­ толщина клубня, м; Ьк ­ ширина клубня, м; 4 ­ длина клубня, м; Rm ­ радиус вала клубнеотражателя, м; а>т ­ угловая скорость вращения клубнеотражателя, рад/с. Рациональную угловую скорость вращения клубнеотражателя определим исходя из неповреждаемости клубней. Она должна соответствовать значению контактного напряжения ат, находящемуся в пределах допустимых значений, при которых повреждения клубней удовлетворяют агротехническим требованиям (рис.3). Рисунок 3 ­ График определения рациональной угловой скорости вращения клубнеотражателя, исходя из контактного напряжения и усилия отрыва ботвы от клубня картофеля. При нахождении рациональной угловой скорости вращения клубнеотражателя в качестве размерных и физико­механических принимались характеристики клубней сорта «Романо». Приняты конструктивные параметры устройства: ге= 5 мм; ^ = 35 мм; /вс = 100 мм. В результате расчетов получили, что величина контактного напряжения в центре эллиптической площадки контакта при максимальном усилии отрыва ботвы от клубня равна 0,7­102 Н/м 2 , 13 что находится в пределах допустимых значений (точка А рис. 3), при этом рациональная угловая скорость вращения клубнеотражателя равна 12 рад/с. При увеличении угловой скорости, вместе с повышением полноты сепарации примесей, будет возрастать контактное напряжение, от которого зависит степень повреждения клубней, чего не следует допускать в целях сохранения качества убранного картофеля (рис. 3). На основе полученных данных определили рациональную частоту вращения клубнеотражателя равную 115 об/мин, при которой будут выполняться агротехнические требования. В ходе теоретического исследования с целью снижения повреждения клубней была обоснована толщина обрезиненного слоя поверхности пальцев, которая по результатам расчетов должна составлять не менее 2,1 мм. В третьей главе «Лабораторные исследования эффективности функционирования сепарирующей горки снабженной клубнеотражателем с пальцами» описаны лабораторные исследования разработанного органа вторичной сепарации. Была принята программа исследований: 1) исследования физико­механических и размерных характеристик компонентов клубненосного вороха; 2) проведение ПФЭ на сепарирующей горке оснащенной клубнеотражателем с пальцами, с целью оптимизации рабочего зазора между полотном горки и валом клубнеотражателя; 3) проведение ПФЭ на горке оснащенной клубнеотражателем с пальцами, с целью оптимизации его частоты вращения; 4) обработка результатов исследований и их оценка по количеству удаленных примесей, потерям и повреждениям клубней. В результате проведенных исследований физико­механических и размерных характеристик компонентов клубненосного вороха установлено, что с повышением влажности почвы с 16% до 24 % трение скольжения комков о прорезиненное полотно увеличивается в 2,8 раза; величина усилия, требуемого для разрушения комка, уменьшается в 1,7 раза, что учитывалось при выборе оптимальных режимов работы сепарирующего органа. Нами получены данные об усилии отрыва ботвы (стебля со столонами) от клубней и диаметре стеблей ботвы картофеля сортов «Удача», «Романо» и «Ресурс» на протяжении уборочного периода (с 25 августа по 25 сентября). На основании этих данных построены зависимости, описывающие тенденции изменения исследуемых характеристик. Получены теоретические зависимости изменения диаметра стебля (p6om­f(ty6> и усилия отрыва ботвы от клубней P30mp=f(ty^ (рис.4) от количества дней, начиная с 25* августа. Полученные зависимости позволят осуществлять прогнозирование изменения исследуемых характеристик для различных сроков уборки культуры, начиная с 25 августа, с целью дальнейшего использования этих данных при механико­математическом моделировании технологических процессов и выборе рациональных параметров и режимов работы сепарирующих органов. В процессе исследований для клубней сортов различной скороспелости уточнены средние значения длины, ширины и толщины соответственно равные: сорт «Удача»: 97,6 мм; 64,4 мм; 54,8 мм; сорт «Романо»: 88,1 мм; 53,3 мм; 43,3 мм; сорт «Ресурс»: 116,1 мм; 66,8 мм; 57,8 мм, которые использовались при определении рациональных параметров и режимов работы разработанного устройства. 14 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Количество дней с начала уборки (Ц) в период с 25 августа по 25 сентября а) 4 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Количество дней с начала уборки (ц) в период с 25 августа по 25 сентября б) а) закономерности изменения усилия отрыва ботвы (стебля со столонами) от клубней; б) закономерности изменения диаметра стебля ботвы. ° ­ экспериментальные данные исследования свойств компонентов сорта «Удача»; а ­ экспериментальные данные исследования свойств компонентов сорта «Романо»; Д ­ экспериментальные данные исследования свойств компонентов сорта «Ресурс»; 1 ­ сорт «Удача»; 2 ­ сорт «Романо»; 3 ­ сорт «Ресурс». Рисунок 4 ­ Закономерности изменения характеристик компонентов куста картофеля на протяжении периода с 25 августа по 25 сентября. 15 При исследовании эффективности функционирования сепарирующей горки снабженной клубнеотражателем с пальцами определялись агротехнические показатели ее работы: уі ­ полнота отделения клубней от почвенных примесей; у2 ­ полнота отделения клубней от растительных остатков; у3 ­ количество поврежденных клубней; у4 — потери клубней. На первом этапе исследований ­ при оптимизации рабочего зазора между пальцами полотна горки и валом клубнеотражателя, переменными факторами выступали: х/ ­ рабочий зазор, м; х2 ­ подача вороха, кг/с; х3 ­ количество клубней не отделенных от стеблей ботвы, %. На втором этапе исследований ­ при оптимизации частоты вращения клубнеотражателя переменными факторами выступали: х? ­ количество клубней в ворохе не отделенных от стеблей ботвы, %; х4 — частота вращения клубнеотражателя, об/мин. Таблица 1 ­ Уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании сепарирующей горки снабженной клубнеотражателем с пальцами. Кодирован­ ное значение Натуральное значение Кодирован­ ное значение хз % х4 об/мин Натуральное значение Х2 Натуральное значение 2 мм кг/с Нижний уровень Верхний уровень Кодирован­ ное значение Единицы измерения 1 XI Интервал варьирования Натуральное значение Факторы Основной уровень 3 117 4,8 10 115 4 0 0 0 0 5 20 6 16 40 6 127 7,8 18 135 7 +1 +1 +1 +1 8 107 1,8 2 95 9 ­1 ­1 ­1 ­1 По результатам лабораторных исследований получены уравнения регрессии для оптимизации частоты вращения клубнеотражателя и рабочего зазора, характеризующие полноту отделения клубней от почвенных и растительных примесей, количество поврежденных клубней, а также потери урожая. Оптимизация рабочего зазора между пальцами горки и валом клубнеотражателя: ух =85,633+4,417­х, +1,917­х2 +1,742­х3 ­0,542­х, ­х3 ­0,825х2­х3. (10) уг =86,888 + 5,596­х, ­1,746­х2 ­2,504• х3 ­1,021 х2 ­х3 (И) .Уз = 4,341 +1,16 • х, ­ 0,643 • х2 ­ 0,338 • х 3 . ул = 3,68+1,238• х, + 0,565 • х2 + 0,345 • х3 ­0,124• х2 • х 3 . Оптимизация частоты вращения клубнеотражателя: ух =86,217­ 2,017­ х3 +4,983­х4 +0,583­ х3 ­х4. (12) j 2 =87,217­l,9­x 3 +5,637­x 4 +0,617­x 3 ­x 4 . (15) (13) (14) уъ =4,264+0,402­х3 +0,614­х4 +0,189­х3 ­х 4 . (16) у 4 =4,882+0,545­х 3 ­0,832­х 4 +0322­х 3 ­х 4 . (17) 16 Проверку значимости коэффициентов регрессии осуществили по критерию Стьюдента, воспроизводимость модели оценена по критерию Кохрена, для оценки адекватности модели использовался критерий Фишера. Расчеты подтвердили адекватность и воспроизводимость полученных моделей с 95% вероятностью. С целью оптимизации параметров рабочего органа определены зависимости между полнотой сепарации примесей, повреждениями и потерями картофеля при наиболее неблагоприятном случае, когда подача картофельного вороха и количество клубней неотделенных от ботвы максимальны и равны соответственно 7,8 кг/с и 18%, на основании которых окончательно значение рабочего зазора принято равным 118 мм, частота вращения клубнеотражателя ­ ПО об/мин, расхождение с результатами теоретических исследований не превышает 5%. В четвертой главе «Полевые исследования эффективности функционирования картофелеуборочных машин с усовершенствованной сепарирующей горкой» изложена методика и результаты полевых исследований и испытаний серийных и усовершенствованных картофелеуборочных комбайнов КПК­2­01. Программа полевых исследований включала в себя полевые испытания усовершенствованного картофелеуборочного комбайна КПК­2­01, сепарирующая горка которого оснащена клубнеотражателем с обрезиненными пальцами. При проведении исследований определялись: полнота сепарации примесей; количество и степень повреждения клубней; потери клубней. В качестве объектов исследований были приняты: серийные и усовершенствованные картофелеуборочные комбайны КПК­2­01. Испытания проходили на полях со средней урожайностью 17,2 т/га. Таблица 2 ­ Характеристика участка и результаты полевых испытаний серийных и усовершенствованных картофелеуборочных машин КПК­2­01. Наименование данных 1 1. Сроки проведения испытаний 2. Высота гребня, см 3. Ширина междурядья, см 4. Предшеств. обработка поля 5. Масса ботвы и сорняков, т/га 6. Тип почвы и название по механическому составу 7. Влажность почвы, % 8. Сорт картофеля 9. Способ посадки картофеля 10. Состояние ботвы Комбайн КПК­2­01 Серий­ Серий­ Серий­ Новый Новый Новый ный ный ный 2 6 4 5 7 3 5 сентября ­ 15 сентября­ 25 августа­ 14 сентября 25 сентября 4 сентября 16,4 16,4 16,4 70 70 70 Удаление ботвы (машина КИР­1.5Б) до 0,98 до 0,87 до 0,73 Серая лесная и средний суглинок 16,8...21,3 | подсохшая | 17,8...22,4 «Романо» Рядковый сухая | 18,7...23,5 | сухая 17 Продолжение таблицы 2 1 11. Рабочая скорость уборочного агрегата, км/ч 12. Повреждения клубней, % Из них: 12.1 С содранной кожурой от V* до 'Л поверхности 12.2. С содранной кожурой от Ѵ г и более поверхности 12.3. С вырывами мякоти более 5 мм 12.4. С трещинами длиной более 20мм 12.5. Раздавленные клубни 12.6.С потемнением мякоти более 5 мм 13. Состав вороха, %: 13.1. Клубни 13.2. Почвенные комки 13.3. Почва на клубнях 13.4. Камни 13.5. Растительные примеси 2 3 4 5 6 7 2,3 2,0 2,3 2,0 2,3 2,0 9,29 11,07 7,73 10,03 6,49 8,86 1,44 1,46 1,14 1,25 0,91 1,05 1,21 1,38 0,92 1,13 0,85 0,97 1,39 1,51 1,15 1,41 0,82 1,08 2,67 2,96 2,43 2,78 2,27 2,61 1,95 2,87 1,62 2,59 1,43 2,55 0,63 0,76 0,47 0,73 0,21 0,46 90,1 2,2 1,8 0,4 5,5 88,7 2,5 2,1 0,4 6,3 93,6 2,8 1,1 0,4 2,1 91,8 3,1 1,5 0,4 3,2 95,5 1,5 1,3 0,4 1,3 93,4 1,8 1,7 0,4 2,7 В результате установлено, что при уборке картофелеуборочными комбайнами КПК­2­01, с установленным над поверхностью основного участка сепарирующей горки усовершенствованным клубнеотражателем, в сравнении с серийными машинами за период уборки с 25 августа по 25 сентября (табл.2) полнота сепарации почвенных и растительных примесей выше в 1,02 раза, потери на рабочих органах снизились в 1,29 раза, повреждения снизились в 1,28 раза. Отмечено, что у усовершенствованных машин КПК­2­01 снижение повреждений клубней достигалось, главным образом, за счет исключения защемления корнеплодов между полотном горки и клубнеотражателем. В пятой главе «Технико­экономическая оценка эффективности применения картофелеуборочных машин с усовершенствованной сепарирующей горкой» изложена методика и результаты определения технико­ экономической эффективности применения нового органа вторичной сепарации на комбайнах КПК­2­01. Определена граница экономической эффективности применения по цене усовершенствованного варианта картофелеуборочного комбайна в сравнении с базовыми, установлено что она превышает расчетную в 1,2 раза. В результате получено, что суммарный годовой экономический эффект от использования на уборочных комбайнах КПК­2­01 сепарирующей горки оснащенной клубнеотражателем с обрезиненными пальцами составляет 2877,7руб./га в ценах 2007 г. 18 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что наиболее перспективным органом вторичной сепарации в современных картофелеуборочных машинах является продольная пальчатая горка с установленным над её поверхностью клубнесбрасывающим устройством. 2. Разработана для повышения полноты отделения примесей, снижения потерь и повреждений клубней конструктивно­технологическая схема рабочего органа вторичной сепарации (патент РФ № 63637), включающего продольную сепарирующую горку, с установленным над её поверхностью клубнеотражателем, снабженным обрезиненными пальцами с закругленной вершиной и размещенными продольными рядами по всей рабочей поверхности клубнеотражателя на равном расстоянии друг от друга. 3. Разработана механико­математическая модель процесса вторичной сепарации картофельного вороха новым рабочим органом, на основе которой определены рациональные конструктивные и кинематические параметры устройства ­ шаг расстановки пальцев вдоль оси клубнеотражателя ­ 50мм; длина пальца клубнеотражателя ­ 100 мм; рабочий зазор между валом клубнеотражателя и пальцами сепарирующей горки ­ 117 мм; рациональная частота вращения клубнеотражателя ­ 115 об/мин; толщина обрезиненного слоя поверхности пальцев ­ не менее 2,1 мм. 4. Получены в результате лабораторных исследований усовершенствованного органа вторичной сепарации математические модели, характеризующие полноту отделения почвенных и растительных примесей, а также потери и повреждения клубней при работе нового рабочего органа, на основании которых уточнены и окончательно приняты рациональные параметры устройства ­ величина рабочего зазора между пальцами полотна горки и валом клубнеотражателя, равная 118 мм; частота вращения клубнеотражателя, равная ПО об/мин (расхождени с результатами теоретических исследований не превышают 5%). 5. Получены, в результате исследований физико­механических и размерных характеристик компонентов куста картофеля закономерности изменения усилия отрыва ботвы от клубня и диаметра стебля ботвы у сортов «Удача», «Романо», «Ресурс» в период с 25 августа по 25 сентября, а также установлено, что с повышением влажности почвы с 16% до 24% трение скольжения комков о прорезиненное полотно увеличивается в 2,8 раза; величина усилия, требуемого для разрушения комка, уменьшается в 1,7 раза. 6. Определено по результатам полевых исследований и испытаний картофелеуборочных комбайнов КПК­2­01, что у усовершенствованных машин КПК­2­01 в сравнении с серийными, полнота сепарации почвенных и растительных примесей выше в 1,02 раза, и составляет 93,1% (по массе); потери на рабочих органах снизились в среднем в 1,29 раза и составляют 4,3%; повреждения клубней снизились в среднем в 1,28 раза и составляют 7,8%. 7. Установлено по результатам технико­экономической оценки работы серийных и усовершенствованных машин КПК­2­01, что суммарный экономический эффект от использования на машинах КПК­2­01 органа вторичной сепарации в виде продольной прямоточной сепарирующей горки с 19 клубнеотражателем, снабженным обрезиненными пальцами, в расчете на 1 га составляет 2877,7 руб./га (цены 2007г.). Результаты исследований переданы на ОАО «Рязанский завод сельскохозяйственного машиностроения» и ООО «РКЗ­комплект», где они используются при проектировании новых и модернизации серийных органов вторичной сепарации картофелеуборочных комбайнов. Усовершенствованные картофелеуборочные машины эксплуатируются в картофелеводческих хозяйствах Рязанской и Тульской областей, при этом общая площадь, убранная данными комбайнами за два года, составила более 150 га. Рекомендуется применение усовершенствованного органа вторичной сепарации с установленными рациональными параметрами на картофелеуборочных комбайнах семейства «КПК», поскольку использование на данных машинах сепарирующей горки с клубнеотражателем, снабженным пальцами (патент РФ №63637), позволяет повысить их технико­экономическую эффективность. Публикации по теме диссертации: 1. Патент на полезную модель №63637, RU, М.кл.2 А 01 D 33/08 Устройство для отделения корнеклубнеплодов от примесей / Паршков А.В., Рембалович Г.К., Борычев С.Н. и др. ­ Опубл. 10.06.2007, бюл. №16. ­ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций результатов диссертаций: 2. Паршков, А.В. Ворох стал чище / А.В. Паршков // Сельский механизатор. ­ 2008. ­ № 1. ­ С. 26­27. 3. Паршков, А.В. Механико­математическое моделирование технологического процесса вторичной сепарации в картофелеуборочных машинах усовершенствованным рабочим органом / А.В. Паршков // Вестник КрасГАУ. ­2008. ­ № 1 . ­ С . 194­201. ­ в зарубежных научных изданиях: 4. Паршков, А.В. Обоснование конструктивных параметров органа вторичной сепарации картофелеуборочных машин / А.В. Паршков // Сб. научных трудов. 2­я международная научно­практическая конференции «Наукова думка інформаційного віку ­ 2007», Украина, Днепропетровск.­ 2007.­Том З.­С. 41­45. 5. Borychev, S.N. The ways of solving the problem of mechanized gathering potato by using different technologies / S.N. Borychev, A.V. Parshkov, Y.K. Rembalovich // Materialy IV mezinarodni vedecko ­ prakticka konference «Veda a technologie: krok do budoucnosti ­ 2008». ­ Dil 11. Technicke vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o ­ 112 stran. ­ в международных научных изданиях: 6. Паршков, А.В. Теоретическое обоснование кинематических параметров нового органа вторичной сепарации картофелеуборочных машин / А.В. Паршков // Сб. научных трудов Мордовский ГУ. Международная научно­ техническая конференция.­2007.­С. 283­288. 7. Паршков, А.В. Современное состояние технологий и средств вторичной сепарации в картофелеуборочных машинах / А.В. Паршков, С.Н. 20 О Борычев, Г.К. Рембалович // Сб. научных трудов Мордовский ГУ. Международная научно­техническая конференция.­2007.­С. 280­283. 8. Паршков А.В. Экспериментальные исследования органа вторичной сепарации картофелеуборочных машин / А.В. Паршков, С.Н. Борычев, Г.К. Рембалович // Сб. научных трудов Московский ГАУ. Международная научно­ практическая конференция.­2007.­№1.­С. 255­257. 9. Паршков, А.В. Лабораторные исследования нового органа вторичной сепарации / А.В. Паршков // Материалы Междунар. науч.­практ. конф. Мич ГАУ.­2008.­С. 75­79. 10. Ищук, Д.Н. Перспективы развития сельскохозяйственной картофелеуборочной техники / Д.Н. Ищук, А.В. Паршков, Н.В. Бышов // Материалы 2­й Международной научно­практической конференции «Наука и образование XXI века». Том 2. ­ Рязань, СТИ. ­ 2008. ­ С. 84­90. 11. Маслова, Л. А. Оценка эффективности применения новой картофелеуборочной техники / Л.А. Маслова, С.Н. Борычев, А.В. Паршков // Материалы 2­й Международной научно­практической конференции «Наука и образование XXI века». Том 2. ­ Рязань, СТИ ­ 2008. ­ С. 91­96. 12. Рембалович, Г.К. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы ботвоудаляющей горки картофелеуборочных машин / Г.К. Рембалович, А.В. Паршков, И.А. Успенский // Сб. научных трудов ВНИИКХ им. А.Г. Лорха. Международная научно­практическая конференция.­2006.­С. 416­422. ­ во всероссийских научных изданиях: 13. Паршков, А.В. Теоретическое обоснование режимов работы отбойного валика с наклонными дисками сепарирующей горки картофелеуборочных машин / А.В. Паршков, Г.К. Рембалович , С.Н. Борычев // Сб. научных статей Ижевской ГСХА. Научно­практическая конференция. ­ 2005.­С. 65­70. 14. Паршков, А.В. Теоретическое обоснование режимов работы отбойного валика сепарирующей горки картофелеуборочных машин / А.В. Паршков, Г.К. Рембалович , С.Н. Борычев // Сб. научных работ Брянской ГСХА. Научно­практическая конференция. ­2006.­С. 119­124. Подписано в печать 07 11,2008 заказ № 139 Формат 60x84 1/16 Бум. офсет. Уч.­печ..л. 1,0 Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано в ИРИЦ ФГОУ ВПО «Рязанский ГАТУ», 390044, г.Рязань, ул.Костычева,!.