ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КАРТОФЕЛЯ В ЗОНЕ УРАЛА ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕСУРСОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

Полученные результаты указывают на то, что в первую очередь следует совершенствовать технологию возделывания картофеля в направлении сокращения ручных работ, связанных с подбором и погрузкой вороха картофеля при уборке копателем, и по возможности обеспечить комбайновую уборку.

Далее по затратам труда и средств модернизации подлежат междурядная обработка, посадка, транспортировка урожая картофеля и погрузка его в транспорт.

Модернизацию комплекса машин на основании анализа технологии и ранжирования технологических операций следует вести по направлениям:

- создание методики проектирования профиля клубненесущего слоя с учетом разнообразия условий производства, в первую очередь почвенных разностей, их состояния в период вегетации и уборки урожая;

- разработка технологических мероприятий и технических средств по формированию клубненесущего слоя, обеспечивающих благоприятные условия для формирования клубней, предупреждающих уплотнение КНС при уходе за посадками, обеспечивающих механизированную уборку урожая;

- разработка мероприятий и технических средств для механизации погрузочных работ при перевозке урожая;

- разработка мероприятий по совершенствованию организации перемещения урожая картофеля и средств его транспортирования к местам хранения.

В третьей главе «Обоснование параметров профиля КНС и средств механизации по его формированию с учетом условий производства» изложена методика проектирования КНС, приведены материалы по обоснованию профиля и его параметров для конкретных условий производства, методика сравнительной оценки гребневого и грядового профиля.

Площадь сечения гребня определяется по формуле

(17)

где b – основание треугольника (зависит от ширины междурядья); h – высота гребня (максимальное значение которой ограничивается шириной междурядья и углом естественного откоса почвы 1).

Объем почвы в гребне, приходящейся на маточный клубень (гнездо):

(18)

где l - шаг посадки.

При шаге посадки 25 см, ширине междурядий 70 см и угле естественного откоса 45° объем почвы на одно гнездо V = 0,0306 м; высота гребня h = 0,35 м; площадь поля на одно гнездо Sк = 0,175 м.

На песчаных почвах в сухую погоду при шаге посадки l = 25 см, b = 70 см, 1 = 37°, высота гряды h = 0,26 м.

Для исключения уплотнения почвы ходовым аппаратом трактора при уходе за посадками требуется технологическая колея.

Для профиля клубненесущего слоя, сформированного по схеме 60х80 см, высота гребня h уменьшится за счет уменьшения ширины основания гребня (b = 0,6 м). При этом высота гребня при угле естественного откоса 1 = 45° составит 0,3 м. Высота уменьшилась на 0,05 м, или на 14,3%. Объем гребня, приходящийся на одно гнездо, уменьшится на 25%. Если формировать профиль по схеме, приведенной на рисунке 3, объем гребня, приходящийся на одно гнездо, уменьшится на 1%. Высота гребня останется практически такой же.

Сдвигая соседние рядки попарно, можно получить профиль гряды, параметры которой приведены на рисунке 4.

Рисунок 3 - Профиль клубненесущего слоя с технологической

колеей и перекрытием ширины гребня (размеры в см)

Рисунок 4 - Образование параметров гряды: УЕО (1) – угол

естественного откоса; h' – глубина посадки клубней;

а1, а2 – расстояние от центра клубня до поверхности откоса гряды

по горизонтали и по перпендикуляру к поверхности соответственно

При проектировании ширина колеи принята 1400 мм. При сдвигании гребней площади треугольников «А» и «С» становятся равными. В этом случае профиль гряды принимает форму равнобедренной трапеции с параметрами: В – основание; b' – вершина; h – высота трапеции. Ширина гряды по основанию в зависимости от заданной высоты гряды и угла естественного откоса

В = 3h/tg1; b' = h/tg1. (19)

Выполнив вычисления (при посадке с междурядьями 70 см), получаем значения параметров:

- при 1 = 45°, h = 0,35 м, h' = 10 см В = 105 см, b' = 35 см;

- при 1 = 37°, h = 0,2625 м, h' = 10 см В =105 см, b' = 35 см.

При 1 = 37° высоту гребня и гряды h можно сформировать (при b = 70 см) не более 26 см.

Напрашивается вывод о целесообразности разработки технологии формирования клубненесущего слоя в виде гряды из гребней, сформированных с междурядьем 70, или 60х80 см. Следовательно, нужна операция по формированию профиля гряды. Для этого определяются параметры рабочего органа (рисунок 5). Диаметр должен быть 350 мм с учетом ширины колеса и междугрядья.

Усилие, затрачиваемое на перемещение гребня, зависит от массы перемещаемого слоя и коэффициента трения (сдвига) между слоями почвы. Масса перемещаемого слоя зависит от плотности почвы и геометрических размеров гребня, в первую очередь – от ширины междурядий и угла естественного откоса (УЕО) почвы 1. Последний зависит от типа почвы, ее механического состава и физического состояния.

Рисунок 5 – К обоснованию диаметра рабочего органа (РО)

для формирования профиля КНС после посадки в гребни: 1 – профиль гребня; 1 – угол естественного откоса; 1, 2 – углы скольжения почвы

по поверхности РО; dmin – минимальный диаметр РО, соответствующий половине ширины междурядья; d2, d3 – диаметры РО с учетом

допустимого взаимодействия РО с соседним гребнем, исключающие

смещение части гребня на соседнюю гряду, связанные с 1 и 2;

dmax – максимальный диаметр РО

Для дерново-подзолистой почвы, распространенной в зоне Среднего Урала, при влажности до 20% угол естественного откоса составил 37о. Опыты показывают, что максимальное значение угла не превышает 50о. Рациональный диаметр РО определяется по формуле

DPO = 2d/(1+cos), (20)

где dmin - минимальный диаметр РО (для междурядий 70 см dmin = 350 мм); - угол скольжения почвы по поверхности РО (связан с коэффициентом трения).

Зависимость диаметра рабочего органа DРО от угла трения (скольжения) найдена графическим способом. В результате аппроксимации получено:

DРО = 550 – 50, мм (21)

Рациональные значения диаметра РО составляют: для угла 37о DРО = 437 мм; для угла 50о - 396 мм; для угла 45о - 410 мм. Диаметр 410 мм принят наиболее целесообразным (оптимальным) для зональных условий при ширине междурядий 70 см и = 45О.

Работоспособность РО будет обеспечена, если направление вращения окажется против часовой стрелки. Силовые факторы проецируются на оси координат OX и OY (рисунок 6).

Рисунок 6 - Действие сил на РО: 1 – профиль гребня; – угол

естественного откоса; – угол скольжения почвы по поверхности РО;

dopt – диаметр РО с учетом допустимого взаимодействия РО с соседним гребнем, исключающий смещение части гребня на соседнюю гряду;

dmin – минимальный диаметр РО, соответствующий половине

ширины междурядья; - центральный угол

Установлена зависимость линейной плотности силы, создаваемой гребнями по направлению поступательного движения РО для двух участков: на участке 0 Х dmin; на участке dmin

Значение плотности силы (напряжения) минимальной по модулю [IFM()] между участками выбирается в зависимости от точки приложения на поверхности РО (знак силы положительный, если она вращает РО против часовой стрелки) следующим образом:

- если , расчет IFM() ведется по формуле

IF() = -IF[X()]cos; (22)

- если , то по формуле

(23)

Приведенные соотношения объясняют необходимое условие для обеспечения вращения РО в нужном направлении и перемещения слоя почвы (гребня) в поперечном направлении от направления поступательного движения агрегата (рисунок 7).

Рисунок 7 - График плотности тангенциальной силы, действующей

на РО: 1 - график плотности действующей тангенциальной силы;

2 - максимально возможное значение плотности силы, касательной

к поверхности РО (силы трения), определяемое нормальной плотностью; 3 - проекция линейной плотности силы, создаваемой гребнями

по линии поступательного движения РО

Суммарный момент вращения, действующий на РО в сторону гребня (гряды) больше, чем момент, действующий в противоположную сторону. График включает три интервала. В интервалах 0…45о и 135…180о относительно велика тангенциальная составляющая, но мала нормальная, поэтому действующая линейная тангенциальная плотность силы является максимально возможной для нормальной составляющей.

В промежутке 45…135о нормальная сила относительно велика, а тангенциальная мала, поэтому действующая тангенциальная плотность равна плотности создаваемой гребнями.

Крутящий момент от сил трения определяется интегрированием по половине окружности линейной плотности силы (первый множитель), умноженной на плечо (второй множитель, равный радиусу) по дифференциалу дуги окружности (третий множитель):

(24)

М = 60,295 Нм

Суммарный момент вращения, действующий на РО в сторону гребня (гряды), больше, чем суммарный момент, действующий в противоположную сторону. Вращение будет происходить по направлению момента. Проекция действующих сил на ось абсцисс Х определяется по двум составляющим: нормальной и тангенциальной. Под интегралами стоят проекции линейной плотности силы на ось абсцисс и дифференциал дуги окружности:

(25)

Fx = 63,787 Н.

Проекция действующих сил на ось Y ординат определяется аналогично:

(26)

FY = -747,131 Н.

Модуль сил и угол наклона вектора к оси Х результирующей силы

(27)

(28)

Знак угла указывает на расположение его в четвертой четверти (отсчет от оси абсцисс против часовой стрелки).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Положительное значение результирующей силы на РО свидетельствует о его работоспособности. Испытания подтвердили этот вывод.

2. Рабочий орган по формированию гряды из гребней с междурядьем 0,7 м для указанных условий целесообразно выполнять диаметром 0,41 м.

3. Величина результирующей силы и ее направление действия необходимы для расчета на прочность и конструктивное оформление РО.

Проведено обоснование совмещения операций обработки посадок и формирования гряды из гребней при возделывании картофеля по агротехническим (качественным) показателям, затратам труда и энергии, прямым и приведенным затратам средств.

Для количественной оценки степени уплотнения почвы можно использовать отношение объема смятой почвы к обрабатываемой площади:

С = 2в/Вр. (29)

где в - ширина обода колеса, м; - удельное давление на почву, Н/м2; Вр - рабочая ширина захвата МТА, м.

Среднюю приведенную производительность однородных МТА (Wi), составленных с одним трактором, можно определить исходя из сравнения затрат времени на обработку единицы площади:

га/ч (30)

где N - количество заменяемых однородных МТА.

Обоснована целесообразность совмещения операций междурядной обработки посадок картофеля и формирования КНС.

Для изучаемых средств механизации по реализации технологий
формирования клубненесущего слоя (сравнительной оценки комбинированной машины с однородными) рассчитаны производительность (рисунок 9), энергоемкость, трудоемкость, коэффициент уплотнения почвы и затраты средств.

Рисунок 8 – Производительность агрегатов: КОР – фрезерование;

ГО – образование гряд; КФМ - фрезерование с образованием гряд

Экономические показатели сравниваемых агрегатов согласно данным таблицы и графика (рисунок 9) свидетельствуют о целесообразности применения агрегата, совмещающего обработку посадок и формирование гряды. По всем статьям расходов преимущество остается за совместным выполнением обработки почвы и формирования гряды. Из графика видно, что производительность комбинированного агрегата выше средней производительности однородных агрегатов. Следовательно, с этой позиции совмещение операций обработки почвы и формирования гряды выгодно.

Рисунок 9 - Эксплуатационные затраты по агрегатам

Теоретически обоснованы параметры пассивного рабочего органа (ПРО) для формирования профиля КНС.

Рабочий орган представляет собой клин, сдвигающий гребни при поступательном движении МТА. Схема РО и воздействие сил представлены на рисунке 10.

Рисунок 10 - Силы, действующие на частицу почвы, при движении

ее по боковине формирователя: Vп - скорость поступательного движения РО; V - абсолютная скорость перемещения частицы; Vi - абсолютная скорость перемещения частицы почвы с учетом угла трения между

боковиной и почвой; - угол трения; М - частица почвы, движущаяся

по боковой по­верхности формирователя; Р - сила, действующая

на частицу, направлен­ная по движению РО; N - нормальная сила

на плоскость бо­ковины формирователя; F - сила трения;

Q - проекция силы Р на плоскость боковины

Условие скольжения частицы почвы по боковине формирователя свя­зано с углом раствора боковин формирователя «а» и обеспе­чивается при соотношении сил трения F и перемещения частицы по плоско­сти Q (QF). Проекция силы Q через силу Р и угол раствора выразится из со­отношения Q = Pcos(/2), нормальная сила N = Psin(/2), сила трения - через угол трения почвы о боковину формирователя: F = Ntg. Из приведенных соотношений можно записать условие

cos(/2)sin(/2)tg [ctg(/2)tg].

При этом tg(90-/2)tg [(90-)/2].

Длина боковин связана с исходными (ширина и высота гребня) и за­данными параметрами профиля КНС (ширина гряды и междугрядий), уг­лом раствора формирователя.

Отсюда угол раствора боковин формирователя связан с углом трения почвы о боковину, т.е. /2(90-). Угол трения зависит от ти­па почвы, ее состояния и механического состава, материала РО.

Скорость частицы почвы (без учета трения) направлена перпендикулярно плоскости боковины; ее можно определить через угол раствора формирователя и скорость РО: V = Vпsin(/2). Скорость перемещения частицы почвы по поверхности боковины (относительная) определяется через поступательную скорость РО и угол раствора: Vо = Vпcos(/2). За счет трения между частицей почвы и боковиной формирователя фактическая скорость частицы определится через угол трения :

V1 = Vпsin(/2)/cos. (31)

Зависимость скорости V1 от угла раствора боковин формирователя представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Зависимость скорости движения частицы почвы

от угла раствора боковин формирователя с учетом внешнего трения

Угол сдвига почвы рабочим органом должен быть меньше угла трения почвы о поверхность РО. При расчетах фактической скорости принят средний угол сдвига 42о (по литературным источникам угол изменяется от 35 до 50о).

Параметры гряды при заданных значениях: ширина междурядий стандартная – 70 см; ширина между строчками в гряде 30-40 см; угол естественного откоса 37-45о; ширина междугрядья 30 см; ширина гряды по верхнему обрезу 60 см. Высота гряды при УЕО 45о составляет 25 см; при угле 37о – 18,84 см. Величина сдвига гребня для того и другого варианта: Lсдв = 27,5 см; раствор РО составляет 55 см.

Площадь сечения гребня S должна составлять 0,10625 м2 при УЕО 45о и 0,08075 м2 при УЕО 37о.

Исходная высота гребней:

при УЕО 45о h1 = 0,30 м; при УЕО 37о h2 = 0,23 м.

Для увеличения высоты гряд при указанных выше условиях необходимо уменьшать ширину гряды по верху.

Установлены зависимости параметров профиля КНС от угла естественного откоса почвы, ширины междугрядья и гряды.

У формирователя профиля КНС основными размерами являются длина и высота боковин. Высота боковин устанавливается исходя из необходимой высоты профиля КНС, а длина зависит от ширины РО и угла раствора.

Оптимизированы параметры комбинированного агрегата по максимальной производительности. Для скорости движения установлена зависимость

км/ч (32)

где L – длина гона, км; tп – время поворота, ч; а, в – коэффициенты, соответствующие параметрам зависимости ширины захвата от скорости, получаемые ее аппроксимацией.

После определения скорости движения рассчитывается рабочая ширина захвата МТА:

Вр = 4,549793 – 0,692111Vр, м (33)

где Vр – рабочая скорость, м/с.

Зависимость ширины захвата по передачам трактора МТЗ-80 от скорости движения при полном использовании мощности приведена на рисунке 12.

Рекомендуемые параметры агрегата приведены в таблице 2.

Рисунок 12 - Ширина захвата агрегата в функции скорости (при Nкрmax)

Таблица 2 - Рекомендуемая ширина захвата МТА с трактором МТЗ-80

Удельное сопротивление, кН/м	а	Ширина захвата агрегата, м	Кол-во обрабатываемых рядков	Скорость движения, км/ч	Передача трактора
3,42 3,57 3,75 3,81	4,51 4,63 4,69 4,77	3,52 3,35 3,08 3,05	5 4 4 4	5,16 6,7 8,4 9,0	3 4 5 6