Совершенствование технологического процесса комбайновой уборки сахарной свеклы с разработкой комбинированного рабочего

ЦВЕТКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОМБАЙНОВОЙ УБОРКИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ С

РАЗРАБОТКОЙ КОМБИНИРОВАННОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА»

05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

технические науки

ДМ 220.041.03

Мичуринский государственный аграрный университет

393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101

тел. 5-31-37

Дата защиты диссертации – 24 июня 2011 года

На правах рукописи

ЦВЕТКОВ

АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Совершенствование технологического процесса комбайновой уборки сахарной

свеклы с разработкой комбинированного рабочего органа

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Мичуринск-наукоград РФ

2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО МичГАУ) на кафедре «Тракторы и сельскохозяйственные машины»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Михеев Николай Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Капустин Василий Петрович

кандидат технических наук, доцент

Балашов Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Пензенская государственная сельскохозяйственная академия (ПГСХА)

Защита диссертации состоится « 24 июня 2011 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Мичуринский ГАУ».

Автореферат разослан «______» _____________2011 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» http://mgau.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Михеев Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сахарная свекла – это одна из основных технических культур, выращиваемых в Российской Федерации. Корнеплоды сахарной свеклы идут на производство сахара, а ботва и отходы производства сахара широко используются в животноводстве для кормления животных.

Современная многоукладная структура сельскохозяйственного производства предполагает сосуществование как крупных СХПК и агрохолдингов, так и небольших крестьянских фермерских хозяйств. Так в Тамбовской области в 2005 году из 74.8 тыс. га занятых сахарной свеклой на долю крестьянских фермерских хозяйств приходилось 13.7 тыс. га или 22.4%, при этом валовый сбор составил 1630.4 тыс. т и 341.5 тыс. т соответственно или 20.9%. Институт сельскохозяйственной техники Боннского университета в 2006 году проводил испытания семи самоходных (GrimmeMaxtron 620, HolmerTeraDosT3 с дисковыми сошниками, KleineSF 10-2, KleineSF 20, MatrotM 2011 Plus, Ropaeuro-TigerV8-3) и двух прицепных комбайнов (TimKRB 212/5 2-рядный агрегат; ThyregodXT-9 4-рядный агрегат). При скорости около 6 км/ч самоходные шестирядные комбайны показали практически одинаковую производительность около 120 т/ч, прицепные – соответственно 40 и 80 т/ч. Выполняя технологический процесс практически с одинаковыми показателями, комбайны различаются в цене, производительности и периодом эксплуатации энергетической установки. Стоимость прицепных комбайнов в 3-5 раз дешевле самоходных, имея одинаковую с ними среднегодовую нагрузку в 30 дней, они могут убрать урожай с площади 160-220 га, что превышает средний размер земельного участка крестьянско-фермерских хозяйств. Кроме того, в качестве энергетического средства у прицепных комбайнов используются колесные тракторы тягового класса 14-20 кН, которые используются в растениеводстве и животноводстве в течение всего года.

Самоходные свеклоуборочные комбайны за 30 дней эксплуатации позволяют убрать урожай с площади более 1000 га, что позволяет крупным сельскохозяйственным предприятиям увеличивать посевы сахарной свеклы и применять технологию возделывания без затрат ручного труда на операциях по уходу за растениями.

К началу уборки корнеплодов сахарной свеклы состояние почвы изменяется не в лучшую сторону (повышенная влажность либо твердость). В этом случае характеристики свеклоуборочных машин ухудшаются, происходит залипание почвой выкапывающих и сепарирующих органов, увеличиваются потери и повреждаемость корнеплодов, качество уборки резко снижается. Поэтому работа, направленная на совершенствование процесса выкопки корнеплодов сахарной свеклы при неблагоприятных условиях уборки, а именно повышенной твердости почвы, с разработкой комбинированного рабочего органа, является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с:

- межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 – 2010 г.г. (задание IX.01.02 – Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства приоритетных групп продукции растениеводства);

- государственным контрактом на выполнение НИОКР с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере №7133р/9641 от 31.07.2009 на тему: "Разработка ресурсосберегающих технологий и технических средств в АПК" срок выполнения 31.07.2010.

Цель работы: повышение качества процесса выкопки корнеплодов сахарной свеклы и сокращение энергетических затрат, за счет разработки комбинированного рабочего органа и оптимизации его параметров, снижающих потери, повреждения и засоренность корнеплодов.

Объект исследования. Технологическийпроцесс извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы.

Методика исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов прикладной механики и математического анализа. Результаты теоретических исследований проверялись лабораторными и полевыми испытаниями экспериментальной установки. Экспериментальные исследования выполнялись с применением математической статистики и многофакторного планирования. Расчеты и обработка данных исследований осуществлялись на ЭВМ.

Научная новизна работы. Обоснована конструктивно - технологическая схема комбинированного выкапывающего органа для работы в условиях повышенной твердости почвы. Проведено теоретическое обоснование технологического процесса извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы. Определены математические зависимости энергетических затрат от конструктивных параметров комбинированного выкапывающего рабочего органа при его работе.

Практическая ценность работы. Разработана конструктивная схема комбинированного рабочего органа для выкопки корнеплодов сахарной свеклы (патент на полезную модель №76770). Обоснованы его оптимальные конструктивно-режимные параметры.

Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец копателя прошел производственные испытания в СПК «Голицыно», Никифоровского района, Тамбовской области, в 2008-2009 гг.

Материалы исследований используются в учебном процессе Тамбовского государственного технического университета и приняты к разработке обществом с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр «Аграрник».

Публикации результатов работы. Материалы диссертации отражены в 7 печатных работах, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и патенте РФ на полезную модель №76770.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и 5 приложений. Работа изложена на 129 страницах, содержит 61 рисунок, 19 таблиц, 8 приложений. Список используемой литературы включает 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ существующих машин для уборки сахарной свеклы и выкапывающих рабочих органов, который показал, что удовлетворяя агротехническим требованиям в нормальных условиях, они неудовлетворительно работают в условиях повышенной твердости почвы. В таких условиях имеет место сильная загрязнённость вороха корнеплодов комьями почвы, травмированние корнеплодов и большие потери.

Вопросами механизации уборки сахарной свеклы занимались Горячкин В.П., Желиговский В.А., Аванесов. Ю.Г., Башкиреев А.П., Брей В.В., Булгаков В.М., Гряник Г.Н., Зуев Н.М., Дробышев И.А. и др.

На основании проведенного анализа было выявлено, что современное сельскохозяйственное производство представляет собой многоукладный характер и поэтому для уборки сахарной свеклы наряду с высокопроизводительными самоходными комбайнами необходимы и прицепные комплексы. Однако как комбайны, так и свеклокопатели обладают рядом недостатков, которые снижают эффективность их применения при повышенной (свыше 25%) и пониженной (менее 10%) влажности, но повышенной твердости почвы (30…45 кг/см2). В основном это связано с конструкцией и параметрами выкапывающих рабочих органов. Для повышения эффективности работы свеклоуборочных машин было намечено решение следующих задач:

1. Изучить физико-механические свойства современных сортов сахарной свеклы и почвы в условиях Тамбовской области.
2. Исследовать технологический процесс извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы и определить причины неудовлетворительной работы серийного комбинированного копача.
3. Разработать конструктивно-технологическую схему экспериментального комбинированного копача.
4. Теоретически обосновать конструктивно-технологические параметры комбинированного копача, повышающие эффективность и снижающие энергозатраты процесса выкопки корнеплодов.
5. Провести лабораторные и полевые испытания экспериментального копача для проверки правильности теоретических предпосылок разработок и определения его работоспособности.
6. Провести производственные испытания и определить энергетическую и экономическую эффективность применения копателя с экспериментальным рабочим органом.

Во второй главе «Физико-механические свойства корнеплодов сахарной свеклы и почвы» изложена методика и результаты исследований физико-механических свойств корнеплодов сахарной свеклы гибрида Аляска и почвы, которые необходимы при расчёте и обосновании оптимальных параметров рабочих органов для механизированной уборки корнеплодов сахарной свеклы.

Проведенные исследования позволили установить:

• расстояние между корнеплодами в рядке изменяется в интервале 100-1100 мм;
• различия в величине выступания головок корнеплодов относительно уровня почвы составляют от -30 мм до +80 мм;
• отклонения центра корнеплодов от осевой линии рядка достигают 60 мм;

- диаметр корнеплода находится в пределах 50 - 160 мм;

- длина корнеплодов изменяется в пределах 80 - 400 мм;

- масса корнеплодов изменяется от 0.42 до 1.6 кг;

- влажность почвы на период уборки изменяется в пределах 9-32 %;

- твёрдость почвы изменяется в пределах 3-60 кг/см2;

• сила извлечения корнеплода из почвы в большей степени зависит от длины корнеплода. В отдельных случаях эта сила достигала 900 Н.

В третьей главе «Теоретическое исследование комбинированного рабочего органа для выкапывания корнеплодов сахарной свеклы» проанализирован процесс извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы комбинированным выкапывающим рабочим органом, обоснованы геометрические характеристики. Предложена конструкция комбинированного копача при повышенной твердости почвы (патент на полезную модель РФ № 76770).

Экспериментальный комбинированный выкапывающий рабочий орган (рисунок 1), состоит из выкапывающего диска 1, рыхлящего диска 2, опорного колеса 3, стоек 4 и рамы 5.

1-выкапывающий диск, 2-рыхлящий диск, 3-опорное колесо, 4-стойка со ступицей, 5-рама

Рисунок 1- Конструктивная схема комбинированного выкапывающего рабочего органа

Принцип работы комбинированного рабочего органа заключается в том, что при движении по рядку корнеплодов его рыхлящий диск разрушает пласт почвы, который вместе с корнеплодами проходит через суживающееся русло рабочего органа, пространство ограниченное игловидным рыхлящим и сферическим выкапывающим дисками. При этом пласт сжимается с боков, деформируется и для корнеплодов, создаются соответствующие усилия извлечения. При дальнейшем движении копача рабочие поверхности воздействуют непосредственно на корнеплод.

Основными факторами, влияющими на качество выполнения процесса извлечения корнеплода из почвы, являются: диаметр выкапывающего и рыхлящего дисков, радиус кривизны и угол установкивыкапывающего диска, глубина хода дисков в почве, расстояние между дисками и поступательная скорость движения агрегата.

Большой вклад в разработку и обоснование параметров дисковых почвообрабатывающих орудий, изучение взаимодействия дисков с почвой внесли: Горячкин В.П., Стрельбицкий В.Ф., Пыльник П.А., Нартов П.С., Лежнев Г.И. и другие. Рассмотрим силовое взаимодействие корнеплода с выкапывающим диском и полосовидным направителем. Под действием сил подпора почвы Q в пласте возникает напряженное состояние, обусловленное действием нормальных сил N и сил трения F в точках его контакта с рабочими поверхностями дисков (рисунок 2). Извлечение корнеплода из почвы возможно при условии

N1+N2- F1 - F2 - Gk>R, (1)

где N1 и N2 – нормальные реакции, Н;F1 и F2 – силы трения, Н; Gk- вес корнеплода, Н;R - сила сцепления корнеплода с почвой, Н.

Рисунок 2 - Силовое взаимодействие корнеплода с дисковым комбинированным рабочим органом и стенкой борозды.

Максимальная сила подпора почвы Qmax (Н) определяется выражением

Qmax=2 hп bп гр, Н (2)

где гр- допустимое напряжение сжатия почвы, Н/м2; hп и bп – толщина и ширина пласта, подрезаемые каждым диском в отдельности, м.

Однако по мере продвижения копателя почва разрыхляется, и сила Q значительно уменьшатся. Величина силы Q также зависит от влажности почвы (при увеличении влажности плотность почвы уменьшается) и при некоторой влажности Wкр копач теряет работоспособность в силу того, что условие (1) не выполняется. При этом происходит обламывание хвостовой части корнеплодов.

Применение в комбинированном рабочем органе для выкапывания корнеплодов сахарной свеклы вырезного сферического диска с вырезами в форме логарифмической спирали по данным Рыжкова А.В. позволит сократить затраты на резание почвы, уменьшить тяговое сопротивление орудия и улучшить процесс извлечения корнеплодов из почвы. Передняя и задняя режущие кромки выполнены по логарифмической спирали, заданной формулой

= 0 · q/2·, (3)

где – радиус кривизны логарифмической спирали, м; – угол поворота радиус – вектора при построении спирали, рад. В нашем случае этот угол изменяется от 0 до 2/5; 0 – начальный радиус спирали, м; q – коэффициент роста логарифмической спирали.

Принимаем, что начальный радиус 0 и коэффициент роста логарифмической спирали q передней и задней режущей кромки одинаковыми и 0 = 0.106м, а q = 4.

Согласно свойствам логарифмической спирали диаметр вырезного диска определяется по формуле

, (4)

где D – диаметр сплошного диска, м.

Одним из основных геометрических параметров диска является его диаметр. Диаметр в зависимости от условий работы следует выбирать наименьшим из допустимых значений, так как с его увеличением резко возрастает нагрузка, необходимая для заглубления в почву. Диаметр диска зависит от заданной глубины обработки почвы, которая ограничивается высотой вертикального просвета между по­верхностью поля и ступицей. В этот просвет проходит наползающий на диск почвенный пласт. В случае недостаточной величины просвета пласт упирается в ступицу диска, в результате чего орудие выглубляется. Диа­метр диска в этом случае рассчитывается по формуле

, (5)

где h - глубина хода диска, м; d–диаметр спупицы диска, м; – угол наползания пласта на диск, град

Радиус кривизны рабочей поверхности диска является одним из важ­нейших параметров, определяющих качество обработки почвы. Чем меньше радиус кривизны, тем диск интенсивнее воздействует на почвенный пласт, лучше его оборачивает и сильнее разрушает. Радиус кривизны должен иметь такую величину, которая при заданных параметрах диаметра диска и угла атаки обеспечит образование зазора между тыльной стороной режущей кромки диска и стенкой борозды. Радиус кривизны рекомендуется рассчитывать по формуле

, (6)

где – половина центрального угла дуги окружности, образуемой в результате сечения диска экваториальной плоскостью, град.

Рисунок 3 – Геометрические параметры дискового рабочего органа.

Угол (рисунок 3) находится из выражения

= – i – , (7)

где i – угол заточки, град (для дисковых рабочих органов i = 15 – 200); – задний угол резания, т. е. угол между тыльной стороной режущей кромки диска и стенкой борозды, град; – угол атаки, град.

В своем вращательном движении вокруг оси каждая точка рабочей поверхности диска описывает окружность.

Уравнения вращательного движения рабочей поверхности диска в системе координат OXYZ:

, (8)

; (9)

. (10)

Величину абсолютной скорости движения отдельных точек рабочей поверхности диска определяем по формуле

, (11)

где V – скорость поступательного движения машины, м/с; – коэффициент скольжения или буксования.

Абсолютная скорость движения отдельных точек рабочей поверхности диска меняется в широких пределах. Максимальная амплитуда отклонения абсолютной скорости равна 1,95V.

Рисунок 3– Схема действия сил на выкапывающий диск.

Силу сопротивления перемещению диска определяем по формуле

, (12)