УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ИНТЕНСИФИКАТОР ОСНОВНОГО ЭЛЕВАТОРА КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНЫХ

Условные обозначения к таблице 1:

- смещение подвижной втулки В рабочего элемента интенсификатора сепарации вдоль приводного вала при взаимодействии с ворохом в точке С, м; R - радиус кривизны рабочего элемента интенсификатора, м; PK - сила воздействия компонента вороха (камня, клубня), Н; Eрэ - модуль упругости материала рабочего элемента, Н/м2; IZ - момент инерции сечения при кручении, м4; - смещение подвижной втулки В рабочего элемента интенсификатора сепарации вдоль приводного вала при взаимодействии с ворохом в точке В, м; - смещение подвижной втулки В рабочего элемента интенсификатора сепарации вдоль приводного вала при действии со стороны вороха на всю поверхность рабочего элемента, м; - нагрузка, действующая со стороны вороха на всю поверхность рабочего элемента интенсификатора, Н/м.

Анализ данных, представленных в таблице 1, и графически проиллюстрированных на рисунке 3, показывает, что при изготовлении рабочих элементов рационально выбрать их диаметр и материал, обеспечивающие достаточно большое поперечное смещение при сохранении упругости, достаточной для того, чтобы рабочие элементы восстанавливали свою первоначальную форму после прохождения через ворох, и не накручивались на вал интенсификатора. Результаты расчета показывают, что данному условию вполне удовлетворяет обрезиненный рабочий элемент, выполненный из проволоки, изготовленной из пружинной стали 65Г диаметром 4 мм (столбец 3 таблицы 1). Данный материал обладает требуемой упругостью, долговечен и при этом сравнительно недорог. Общий диаметр рабочего элемента (с учетом обрезинивания) 0,02 м.

а) зависимость перемещения подвижной втулки В от диаметра рабочего элемента.

б) зависимость перемещения подвижной втулки В от модуля упругости рабочего элемента.

Рисунок 3 – Зависимости перемещения подвижной втулки рабочего элемента от параметров интенсификатора.

Для обеспечения требуемой производительности и исключения сгруживания вороха необходимо обосновать шаг расстановки рабочих элементов, их количество, зазор между валом сепаратора и транспортером (рис.4).

Рабочий зазор между валом интенсификатора сепарации и транспортером:

мм. (1)

где lmax - длина большой полуоси половины эллипса, которая характеризует максимальную деформацию рабочего элемента, м; d - диаметр рабочего элемента, м.

Рисунок 4 – Схема к расчету конструктивных параметров интенсификатора.

Принимаем рабочий зазор между валом интенсификатора сепарации и транспортером равным м.

С учетом конструктивных особенностей механизма принимаем количество рабочих элементов на валу равным n = 5 шт.

Рабочий зазор между валом 3 (рис. 4) и транспортером:

(2)

Рабочий зазор между валом 2 (рис. 4) и транспортером:

, (3)

где - толщина вороха на транспортере (глубина подкопа), м;

- толщина клубня, м.

Рабочий зазор между валом 1 (рис. 4) и транспортером:

(4)

Из выражений (1…4) при толщине клубня 57,3 мм (по данным лабораторно-полевых исследований), глубине подкопа 200 мм получаем 3=150 мм, 2=198 мм, 1=245 мм.

Минимальный шаг расстановки валов исходя из конструктивных соображений должен быть не менее двух радиусов рабочих элементов:

м. (5)

Окончательно принимаем: шаг расстановки валов X = 0,2 м, а рабочие зазоры 1=0,25м, 2=0,20 м, 3=0,15 м.

Согласно исследованиям проф. Н.В. Бышова и А.А. Сорокина, при уменьшении угла соударения снижается нормальная составляющая скорости соударения, что ведет к минимизации повреждений клубней картофеля. Введем ограничение скорости соударения по нормальной составляющей скорости соударения.

- угол атаки рабочего элемента, рад; - угол закручивания рабочего элемента, рад;

x, y, z, , n- оси координат; vк- скорость клубня картофеля, м/с; vТ- скорость транспортра, м/с; vИ- скорость интенсификатора сепарации, м/с; vВ.ос- окружная скорость вала интенсификатора сепарации, м/с; vЭ.ок- окружная скорость рабочего элемента интенсификатора, м/с; Mz max- максимальный крутящий момент в сечении рабочего элемента в месте крепления к неподвижному шарниру А, Нм; - угловая скорость, рад/с.

Рисунок 5 ­– Схема к расчету скорости вращения вала интенсификатора.

Для ограничения повреждений клубней в пределах агротехнических требований необходимо, чтобы нормальная составляющая скорости взаимодействия компонентов была меньше максимально-допустимой скорости взаимодействия (3 м/с):

. (6)

Тогда окружная скорость вращения вала интенсификатора сепарации:

(7)

где vT– скорость сепарирующего транспортера, м/с; qk max - максимальная нагрузка, действующая со стороны вороха на всю поверхность рабочего элемента интенсификатора, Н/м; Lрэ - длина рабочего элемента, м; Gрэ – модуль сдвига материала рабочего элемента, Н/м2.

По выражению (7) получаем, что окружная скорость вращения вала интенсификатора сепарации при приведенных выше параметрах устройства должна быть меньше или равна 0,7 м/с, что соответствует частоте вращения вала интенсификатора 74 об/мин.

В третьей главе «Лабораторно-полевые исследования усовершенствованного технологического процесса и интенсификатора основного элеватора картофелеуборочных машин» представлены программа, методика и результаты лабораторно-полевых исследований эффективности работы сепарирующего элеватора с интенсификатором. Была принята следующая программа исследований:

1. Определение размерно-массовых и физико-механических свойств компонентов клубненосного вороха в полевых и лабораторных условиях.

2. Анализ агротехнических показателей при работе экспериментальной установки, оснащенной серийным основным элеватором.

3. Проведение полнофакторного эксперимента на экспериментальной установке, оснащенной усовершенствованным основным элеватором с интенсификатором сепарации.

4. Обработка результатов исследований и их оценка по количеству удаленных почвенных примесей, потерям и повреждениям клубней.

Объектом исследований выступали компоненты клубненосного вороха и экспериментальная установка, собранная на базе картофелекопателя КТН-2В с установленным на нем интенсификатором основного элеватора (патент РФ на изобретение №2438289), представленная на рисунке 6.

На первом этапе эксперимента исследовались компоненты клубненосного вороха, в частности почва, клубни и остатки ботвы картофеля. На втором этапе проводился анализ агротехнических показателей при работе экспериментальной установки, оснащенной серийным основным элеватором. На третьем этапе (с установленным интенсификатором сепарации) с целью определения агротехнических показателей работы устройства при различных режимах и условиях его функционирования, был выполнен полнофакторный эксперимент по плану 23. Переменными факторами выступали: х1 – частота вращения приводных валов интенсификатора усовершенствованного основного элеватора, об/мин; х2 – скорость движения установки, м/с; хз – зазор между поверхностью основного элеватора и приводным валом первого интенсификатора сепарации, м. Основные уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице (таблица 2).

Таблица 2– Уровни и интервалы варьирования факторов при исследовании усовершенствованного основного элеватора с интенсификатором сепарации

№	Факторы	Единицы измерения	Интервал варьирования	Верхний уровень		Нижний уровень
			Натуральное значение	Натуральное значение	Кодированное значение	Натуральное значение	Кодированное значение
1	2	3	6	7	8	9	10
1	х1	об/мин	50	100	+1	50	-1
2	х2	м/с	1,0	2,0	+1	1,0	-1
3	х3	м	0,10	0,30	+1	0,20	-1

По результатам лабораторно-полевых исследований получены математические модели, характеризующие полноту отделения примесей и повреждения клубней в зависимости от параметров разработанного устройства, а также от скорости движения лабораторно-полевой установки.

Полнота сепарации почвенных примесей:

= 84,70 + 3,78 x1 – 4,49 x2 – 4,07 x3 + 0,90 x1 x2 – 1,92 x2 x3 (8);

Повреждения клубней:

= 2,45 + 0,60 x1 - 0,42 x2 - 0,62 x3 - 0,03 x1 x2 - 0,04 x1 x2 x3 (9);

Потери клубней:

= 0,92 + 0,51 x1– 0,17 x3 – 0,09 x1 x2 + 0,05 x1 x3 – 0,04 x2 x3 – 0,08 x1 x2 x3 (10).

а) вид сбоку;

б) вид сверху;

1 – трактор; 2 – карданный вал; 3 – редуктор; 4, 5, 6, 7, 8, 9 – звездочки привода валов интенсификатора сепарации; 10 – приводные валы интенсификатора;

11 –рабочие элементы; 12 – основной элеватор; 13- лемех;

14- рулоны пленки.

Рисунок 6. Схема лабораторно- полевой установки.

По результатам анализа уравнений регрессии выявлено, что рациональная величина частоты вращения разработанного устройства составляет 71 об/мин, зазор между поверхностью элеватора и первым валом интенсификатора сепарации 0,24 м, при этом расхождение значений с результатами теоретических исследований не превышает 4,05 % и 4,00 % соответственно.

1 – трактор; 2 – карданный вал; 3 – редуктор; 10 – приводные валы интенсификатора; 11 –рабочие элементы; 12 – основной элеватор.

Рисунок 7- Лабораторно-полевая установка (общий вид).

Рисунок 8 – Результаты сравнительной оценки агротехнических показателей серийного и усовершенствованного органов первичной сепарации

(средние значения показателей)

В четвертой главе «Полевые исследования усовершенствованного технологического процесса и органа выносной сепарации в картофелеуборочных машинах» представлена программа, методика и результаты хозяйственных исследований эффективности работы картофелеуборочных комбайнов DR-1500 и КПК-2-01 с усовершенствованным сепарирующим элеватором.

Исследования проводились в соответствии с ГОСТ 20915-75 на полях Рязанской области в период массовой уборки картофеля в 2009-2011 годах.

Программа полевых исследований включала в себя исследования физико-механических и размерно-массовых свойств культуры картофеля, и хозяйственные испытания усовершенствованных картофелеуборочных комбайнов КПК-2-01 (рис. 9) и DR-1500 (рис. 10, 11) и, оснащенных интенсификатором сепарации.

1-комкоразрушающие катки; 2- дисковые ножи; 3- лемех; 4– продольно установленные шнеки; 5- основной конвейер; 6- интенсификатор сепарации; 7- поперечно установленный шнек; 8- дополнительный конвейер; 9– дополнительный участок горки; 10- отбойный валик; 11– горка; 12- ковшовый конвейер; 13- переборочный стол; 14- бункер.

Рисунок 9 - Технологическая схема работы усовершенствованного картофелеуборочного комбайна КПК-2-01.

1 – катки; 2 – вертикальные диски; 3 – лемех; 4 – основной элеватор; 5 – интенсификатор; 6 - ботвоудалители; 7 – каскадный элеватор; 8 – дополнительный элеватор; 9 - горка;

10 – ковшовый элеватор; 11 – переборочный стол; 12 – бункер; 13 – отбойные элементы.

Рисунок 10 - Технологическая схема усовершенствованного картофелеуборочного комбайна DR-1500.

2 1 3 4 5

1- рабочие элементы интенсификатора; 2- приводные валы интенсификатора;

3- гидромотор СМР-160; 4- вентиль; 5- гидравлические шланги.

Рисунок 11 – Общий вид интенсификатора основного элеватора картофелеуборочной машины (патент РФ №2438289) (на примере комбайна DR-1500).

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 DR-1500 и КПК-2-01. Испытания проходили на полях со средней урожайностью 23,0 т/га.

Сравнительные полевые испытания показали (таблица 3), что у усовершенствованных картофелеуборочных машин по сравнению с серийными машинами увеличивается чистота клубней в таре соответственно на 6,1% и 6,5%, повреждения клубней при этом практически не изменяются, кроме того уменьшаются потери; появляется возможность повышения рабочей скорости движения агрегатов при уборке, что позволяет увеличить производительность работы с 0,39 до 0,45 и с 0,29 до 0,33 га/ч соответственно.

Исходя из полученных значений агротехнических показателей, подтверждена эффективность органа первичной сепарации с целью повышения эффективности отделения примесей в картофелеуборочных машинах.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность усовершенствованного технологического процесса и интенсификатора основного элеватора в картофелеуборочных машинах» изложена методика и результаты определения технико-экономической эффективности применения усовершенствованных картофелеуборочных комбайнов DR-1500 и КПК-2-01.

В результате выявлено, что суммарный экономический эффект от применения усовершенствованного основного элеватора с интенсификатором в картофелеуборочных машинах в расчете на 1 га составляет для комбайна DR-1500- 5329,16 руб./га; для комбайна КПК-2-01- 5780,48 руб./га.

Таблица 3 – Характеристика участка и результаты полевых испытаний серийных и усовершенствованных картофелеуборочных машин КПК-2-01

№ п/п	Показатели работы		Агротехнические и эксплуатационные показатели картофелекопателей
			серийный Grimme DR-1500	усоверш. Grimme DR-1500	серийный КПК-2-01	усоверш. КПК-2-01
1	2		3	4	5	6
1.	Рабочая скорость агрегата, км/ч		4,2	4,5	3,6	3,9
2.	Глубина хода лемеха, см		20	20	20	20
3.	Ширина захвата, м		1,5	1,5	1,4	1,4
4.		Производительность за 1 ч сменного времени, га/ч	0,39	0,45	0,29	0,33
5.		Тип почвы и её механический состав	серая лесная и средний суглинок		выщелоченный чернозем и тяжелый суглинок
6.		Влажность почвы, %	12…24%
7.		Средняя годовая наработка машины, га	40	40	40	40
8.		Состав вороха (по массе), %: 8.1. Клубни 8.2. Примеси	84,8 15,2	90,9 9,1	78,9 21,1	85,4 15,6
9.		Качество выполнения технологического процесса, %: 9.1. Собрано в тару 9.2. Оставлено на поверхности 9.3. Оставлено в почве	94,4 2,4 3,2	97,5 1,1 1,4	94,1 2,6 3,3	97,4 1,1 1,3
10.		Повреждения клубней по массе, %	8,03	8,27	9,19	9,10
11.		Коэффициент использования времени смены	0,62	0,66	0,57	0,60