Совершенствование технологического процесса комбайновой уборки сахарной свеклы с разработкой комбинированного рабочего

где D– диаметры диска, м; h – глубина обработки почвы, м; G1–вес диска, Н; g – ускорение свободного падения, м/с2; –угол поворота радиус – вектора при построении спирали, в нашем случае этот угол изменяется от 0 до 2/5, рад; - расстояние от центра вращения диска до любой точки его сферической поверхности, м; – угол атаки, рад.

Для нахождения силы сопротивления перемещению рыхлящего диска в почве определяем объем почвы деформируемый одной иглой. Окружность, описываемая концами игл диска, должна без скольжения катиться по прямой, расположенной на максимальной глубине хода дисков h (рисунок 4).

При установившемся движении сила сопротивления перемещению Pтяг.р.д. складывается из силы сопротивления почвы Pc.п. и силы сцепления диска с почвой Pсц.

Pтяг. р.д.=Pc.п.+Pсц., Н (13)

, (14)

где dи – диаметр иглы, м; lи – длина иглы, м;

hI=h+lи / 2; (15)

- плотность почвы. В данном случае ;- угол сдвига слоя почвы, град; - коэффициент деформации слоя почвы, зависящий от физико-механических свойств почвы, Н/м2.

Рисунок 4 – Схема определения зоны деформации при прокалывании слоя почвы.

Сила сцепления диска с почвой определяется по формуле

, Н (16)

где - коэффициент трения почвы по поверхности диска и почвы;- вес машины, приходящийся на один диск, Н.

Подставив значения сил из уравнений 14 и 16 в уравнение 13, получим

, Н. (17)

Силу сопротивления перемещению полосовидного направителя определяем по формуле:

(18)

где - вес направителя, Н; - максимальное напряжение чистого сдвига, Н/м2; - площадь плоскости сдвига, м2; - глубина хода направителя, м; - ширина захвата направителя, м; - плотность почвы, кг/м3; - угол крошения, град; т- угол трения почвы о поверхность направителя, град; - скорость движения машины, м/с; - высота подъема пласта, м; - угол сдвига почвы в продольно-вертикальной плоскости, град.

Общая сила сопротивления комбинированного выкапывающего рабочего органа складывается из сил сопротивления выкапывающего диска и рыхлящего игловидного диска или полосовидного направителя, следовательно

(19)

(20)

где Рэкс. – сила сопротивления перемещению экспериментального рабочего органа, Н; Рв.д.- сила сопротивления вырезного диска, Н; Рр.д.- сила сопротивления рыхлящего диска, Н; Рсер. – сила сопротивления перемещению серийного рабочего органа, Н; Рс.д.- сила сопротивления сплошного диска, Н; Рп.н.- сила сопротивления полосовидного направителя, Н; G2 - вес сплошного диска, Н.

Соотношение сопротивлений комбинированных выкапывающих рабочих органов с вырезным выкапывающим и рыхлящим игловидным дисками, и с сплошным выкапывающим диском и полосовидным направителем /, позволяет оптимизи­ровать параметры комбинированного выкапывающего рабочего органа.

В четвертой главе «Программа и методика экспериментального исследования» представлены методика, программа и результаты экспериментального исследования. Программа исследований предусматривает изучение влияния конструктивных параметров комбинированного рабочего органа на агротехнические показатели извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы, а также возможность работы в условиях повышенной твердости почвы. Лабораторно-полевые исследования процесса извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы проводились на специально изготовленной установке, навешиваемой на трактор МТЗ - 80 (рисунок 5). Она состоит из следующих узлов: 1-рама, 2-выкапывающийдиск, 3-рыхлящий игловидный диск, 4-опорные колеса, 5-стойки со ступицами и 6-подвижная балка.

Рисунок 5 - Двухрядная лабораторно-полевая установка.

Взаимное положение рыхлящих и выкапывающих дисков регулируется при помощи стоек 5 и подвижной балки 6. Глубина хода рабочих органов регулируется при помощи стоек 5 и опорных колес 4.

При движении установки вдоль убираемого рядка комбинированный рабочий орган своим рыхлящим диском разрушает пласт почвы, который вместе с корнеплодами проходит через суживающееся русло рабочего органа, пространство ограниченное рыхлящим и сферическим выкапывающим диском. При этом пласт сжимается с боков, деформируется, а вращение дисков дополнительно способствует извлечению корнеплода из почвы.

Выкопанные корнеплоды собираются вручную в ящик.

Регистрация данных изменения силы сопротивления экспериментального копателя проводилась электронным регистратором Параграф – ЖКИ – 4/20. В качестве блока питания использовался электронный стабилизатор ТЭС 23 НТР 30.2.5.

Экспериментальные исследования комбинированного рабочего органа в полевых условиях позволили уточнить область допустимых параметров и режимов работы и выявить преимущества данного рабочего органа. Нами было разработано и изготовлено несколько видов рабочих органов, которые изображены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Выкапывающие диски.

Рисунок 7 – Вспомогательные устройства.

В результате проведенных поисковых исследований установлено, что наиболее работоспособным является комбинированный копач с выкапывающим диском диаметром 450 миллиметров с вырезами (рисунок 6а) и игловидным рыхлящим диском (рисунок 7а). Применение комбинированного копача данной конструкции дает уменьшение требуемого тягового усилия на 15.84% по сравнению с серийным комбинированным копачом, который устанавливают на копатель АС – 1 и состоящий из сплошного сферического диска и полосовидного направителя.

Согласно результатам теоретических исследований и предварительных экспериментов установлено, что факторами, влияющими на тяговое сопротивление, являются глубина хода дисков h, угол установки выкапывающего диска и поступательная скорость движения агрегата V. На повреждаемость корнеплодов также в большей степени влияет глубина хода дисков h, угол установки выкапывающего диска и поступательная скорость движения агрегата V.

С целью оптимизации параметров комбинированного рабочего органа для выкопки корнеплодов сахарной свеклы был проведен многофакторный эксперимент с использованием плана второго порядка Бокса–Бенкина. Он реализован на ПК в программе «Statistica 6.0».

Согласно методике была проведена серия опытов, в которой критериями оптимизации были приняты повреждаемость корнеплодов и тяговое сопротивление, при этом за постоянные конструктивные параметрыкомбинированного рабочего органа были приняты диаметры рыхлящего и выкапывающего дисков, расстояние между дисками, радиус кривизны дисков и радиус кривизны вырезов в форме логарифмической спирали выкапывающего диска. Число повторностей измерений параметров m=3.

В результате обработки данных на ПК было получены уравнения регрессии:

Yп = 28,56636 + 0,45389x1 - 0,00124x12 – 1,49306x2 + 0,03472x22 – 5,31327x3 +

+ 0,33951x32 - 0,00417x1x2 + 0,00694x2x3. (22)

Yт = 292,7563 + 1,8169x1 - 0,0004x12 – 20,4618x2 + 0,3192x22 – 5,246x3 +

+0,156x32+ 0,0964x1x2+ 0,0197x1x3+ 0,1236x2x3. (23)

где Yп – повреждаемость корнеплодов; Yт – тяговое сопротивление, Н; x1 – глубина хода дисков, мм; x2 – угол установки выкапывающего диска, град; x3 – скорость движения агрегата, м/с.

Проверка по F-критерию (критерий Фишера) показала, что данные уравнения адекватно описывают процесс при 95%-ном уровне значимости.

На рисунках 8 и 9 представлены зависимости критериев оптимизации в зависимости от выбранных факторов.

Рисунок 8 – Зависимость повреждаемости корнеплодов от: а) – глубины хода и угла установки выкапывающего диска; б) – глубины хода дисков и скорости движения агрегата; в) – угла установки выкапывающего диска и скорости движения агрегата.

Рисунок 9 – Зависимость тягового сопротивления от: а) – глубины хода и угла установки выкапывающего диска; б) – глубины хода дисков и скорости движения агрегата; в) – угла установки выкапывающего диска и скорости движения агрегата.

На основании анализа значимости коэффициентов регрессии получены оптимальные значения рабочих параметров комбинированного копача (таблица 1).

Таблица 1 – Оптимальные значения факторов

Кодовое обозначение	Наименование факторов	Оптимальные значения
х1	Глубина хода дисков, мм	175
х2	Угол установки выкапывающего диска, град	30
х3	Скорость движения агрегата, км/ч	8

В этом случае суммарная повреждаемость корнеплодов не будет превышать 15,47% и тяговое сопротивление 8032,5 Н.

В пятой главе «Оценка эффективности использования комбинированных рабочих органов для выкопки корнеплодов сахарной свеклы» представлены результаты производственных испытаний и расчет эффективности применения комбинированных копачей на выкопке корнеплодов сахарной свеклы. Расчет экономической эффективности показал, что использование разработанного комбинированного рабочего органа по сравнению с серийным копателем корнеплодов АС-1 позволяет повысить производительность в 1.78 раза, уменьшить повреждаемость в 1.36 раза, а загрязненность вороха корнеплодов землей в 1.65 раза и получить годовой экономический эффект 1 миллион 461 тысяч рублей. Срок окупаемости предложенного рабочего органа составляет 0.28 года.

Общие выводы

1. Анализ существующих комплексов машин для уборки сахарной свеклы и многоукладный характер сельскохозяйственного производства предполагает использование, как высокопроизводительных самоходных комбайнов, так и прицепных комплексов. При этом наилучшие показатели имеют машины с комбинированными рабочими органами, однако при повышенной твердости почвы повреждаемость и засоренность корнеплодов выходят за пределы агротехнических норм.
2. Исследования физико–механических свойств корнеплодов гибрида «Аляска» и почвы показали, что: расстояние между корнеплодами в рядке изменяется в интервале 100-1100 мм; различия в величине головок корнеплодов относительно уровня почвы составляют от -30 мм до +80 мм; отклонения центров корнеплодов от осевой линии рядка достигают 60 мм. Установлено, что 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 % в зависимости от выпадения осадков, а твёрдость почвы изменяется в пределах 3-60 кг/см2 в зависимости от влажности, её физико-механического состава и уплотнённости. Сила извлечения корнеплода из почвы в большей степени зависит от длины корнеплода и отдельных случаях достигает 900 Н.
3. На основании проведенных исследований технологического процесса извлечения корнеплодов сахарной свеклы из почвы установлено, что основными причинами неудовлетворительной работы комбинированного копача являются недостаточное крошение пласта и очистка корнеплодов от почвы. Предложена конструктивно-технологическая схема комбинированного выкапывающего органа с вырезным выкапывающим и игловидным рыхлящим дисками (патент на полезную модель №76770).
4. Определены математические выражения для определения энергетических затрат от конструктивных параметров комбинированного выкапывающего рабочего органа при его работе.
5. Результаты экспериментальных исследований показали, что комбинированный рабочий орган, состоящий из выкапывающего сферического диска с вырезами и игловидного рыхлящего диска должен иметь следующие конструктивные параметры:

• диаметр вырезного диска 450 мм, количество вырезов 6, они должны быть выполнены по логарифмической спирали;
• диаметр рыхлящего диска 600 мм, количество игл 12;
• расстояние между выкапывающим и рыхлящим дисками должно быть 180 мм;
• углы установки выкапывающего и рыхлящего дисков 30 и 0 градусов к направлению движения соответственно.

6. По результатам многофакторного эксперимента установлено, что минимальное значения повреждаемости корнеплодов и требуемого тягового сопротивления достигается при следующих значениях факторов: глубина хода дисков 170…180 мм, угол установки выкапывающего диска 28…32 град и скорость движения агрегата 7.5…8 км/ч.
7. Энергетические затраты на выполнение технологического процесса у предложенного комбинированного рабочего органа ниже, чем у аналога на 15.48%, в пересчете на единицу продукции затраты снижены на 9.1%. За счет повышения рабочей скорости и улучшения показателей качества процесса эффективность предложенного комбинированного копача на 7% выше аналога. Расчетный годовой экономический эффект машины с экспериментальным рабочим органом при нормативной загрузке 560 часов в год составит 1 миллион 461 тысячу рублей и срок окупаемости 0,28 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Цветков, А.А. К обоснованию рабочего органа корнеплодов сахарной свеклы [Текст] / Цветков А.А., Михеев Н.В. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. Серия Агроинженер №1/2008. – Краснодар, 2008. – С. 66-68
2. Цветков, А.А. Результаты экспериментального исследования комбинированного выкапывающего рабочего органа [Текст] / Цветков А.А., Михеев Н.В. // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. – Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2011, Ч.1. – С. 167-170

В описании к изобретению

3. Патент на полезную модель 76770 Российская федерация, МПК А01D 25/00.Комбинированный выкапывающий рабочий орган [текст] / Михеев Н.В., Горшенин В.И., Цветков А.А., Тырнов Ю.А.: заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Мичуринский Гос. Аграрный ун-т. –2008120358/22; заявл. 22.05.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. №28

Публикации в других изданиях и материалах конференций

4. Цветков, А.А. Анализ рабочих выкапывающих органов свеклоуборочных машин [Текст] / Цветков А.А. // Материалы 59-ой научной студенческой конференции. – Мичуринск-наукоград РФ: Изд-во МичГАУ, 2007. – С. 63-65
5. Цветков, А.А. Теоретическое исследование комбинированного рабочего органа свеклоуборочных машин [Текст] / Цветков А.А., Михеев Н.В. // Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК». – Мичуринск-наукоград РФ: Изд-во МичГАУ, 2008. – С. 45-49
6. Цветков, А.А. Совершенствование технологического процесса комбайновой уборки сахарной свеклы с обоснованием параметров комбинированного рабочего органа [Текст] / Цветков А.А., Михеев Н.В. // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК». – Мичуринск-наукоград РФ: Изд-во МичГАУ, 2008. – С. 125-130
7. Цветков, А.А. Обоснование конструктивно-технологической схемы ротационного комбинированного сепаратора для очистки корнеплодов от почвенных примесей [Текст] / Цветков А.А. // Материалы международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК». – Мичуринск-наукоград РФ: Изд-во МичГАУ, 2011. – С. 66-68