Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»)

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Энергосберегающие технологии и технические средства для уборки лука

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Ларюшин Андрей Михайлович

Пенза - 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Рыбалко Александр Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емельянов Павел Александрович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Рейнгарт Эдуард Саулович

доктор технических наук, профессор Чаткин Михаил Николаевич

Ведущая организация - Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИИТиН) г. Тамбов

Защита диссертации состоится 22 января 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02. при ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кухарев О.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Перед сельским хозяйством нашей страны стоят задачи полного удовлетворения возрастающих потребностей населения высококачественными продуктами питания и отраслей перерабатывающей промышленности - сырьем.

В соответствии с планами реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» одним из основных направлений является развитие отрасли овощеводства, которая должна обеспечивать получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур с использованием современных технологий и комплексной механизации всех технологических операций.

Несмотря на специализацию хозяйств и механизацию ряда трудоемких процессов (предпосевная обработка почвы, посев, междурядная обработка и др.) трудозатраты на возделывание овощных культур, особенно лука, еще велики, при этом более 60 % трудозатрат и 50 % энергозатрат приходится на работы, связанные с его уборкой, послеуборочной обработкой и хранением. Снижения себестоимости и повышения качества собранного урожая можно добиться не только использованием новых сортов, но и применением новых машин и энергосберегающих технологий.

Разработанные конструкторскими и научно-исследовательскими организациями лукоуборочные машины не полностью отвечают агротехническим требованиям, предъявляемым к уборке, особенно при уборке лука-севка, а на тяжелых почвах - и при уборке репчатого лука. Зарубежные аналоги хотя и значительно ближе к выполнению агротехнических требований, но, имея высокую стоимость, практически не доступны отечественным хозяйствам.

Поэтому разработка надежных в работе машин для уборки мелкоразмерных корнеклубнеплодов в широком диапазоне почвенно-климатических условий, обеспечивающих получение качественной продукции при минимальных трудозатратах и отвечающих агротехническим требованиям, и составляет научную проблему, от решения которой зависит повышение производительности труда в этой области сельскохозяйственного производства и обеспечение населения РФ ценной продовольственной продукцией.

Поэтому тема, посвященная совершенствованию технологий и разработке технических средств для уборки лука, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа проводилась в соответствии с «Программамой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006…2010 гг.», согласно заданию 02 по научному обеспечению овощеводства открытого грунта «Создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп овощной продукции» (разработка комплекса машин для производства лука в условиях Средневолжского региона), а также темой № 31 НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» «Совершенствование технологии и технических средств, позволяющих снизить затраты труда и потери продукции при уборке сельскохозяйственных культур».

Цель исследований. Совершенствование технологий и разработка технических средств для уборки лука, повышающих производительность машинно-тракторного агрегата, энергетическую эффективность и улучшающих качество продукции.

Объект исследований. Технологический процесс работы технических средств, осуществляющих удаление ботвы лука и сорных растений, выкопку, сепарацию и подбор лука.

Предмет исследований. Режимы работы, конструктивно-технологические параметры и эксплуатационные показатели (производительность и энергоемкость) технических средств, обеспечивающие качество уборки лука.

Научную новизну работы представляют:

· энергосберегающие технологии и технические средства для уборки лука-севка и лука-репки, обеспечивающие повышение производительности машинно-тракторного агрегата и качества продукции;

· математическое обоснование работы технических средств для уборки лука;

· функциональное обоснование и математическая модель технологии уборки лука;

· расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных режимов работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров технических средств для уборки лука.

Новизна предложенных технических решений для уборки лука подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретение №2182415, № 2240673, № 2240671, № 2339208.

Практическая значимость работы. Результаты исследований использовались ОАО «Завод Белинсксельмаш» (г. Каменка Пензенской обл.) при изготовлении экспериментальной лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством и ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк Пензенской области) при изготовлении экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений, копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом и подборщика лука-севка с вальцово-битерным подбирающим устройством. Применение экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений позволило увеличить производительность на 14 %, полноту удаления на 10 % и снизить повреждения лука на 13 % по сравнению с двухбарабанным обрезчиком. Применение экспериментального копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом позволило повысить производительность выкопки на 12 %, уменьшить потери лука-севка на 0,7 % и содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 6,5 % по сравнению с лукоуборочной машиной МЛС-1,4. Применение экспериментальной лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством позволило снизить содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 4,4 %. Применение экспериментального подборщика на подборе валка лука-севка позволило увеличить производительность подбора на 10 %, снизить потери лука-севка на 1,5 %, содержание почвенных примесей в убранном ворохе до 5,4 % и повреждение луковиц на 0,5 % по сравнению с базовым подборщиком лука ППЛ-0,8.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными лабораторными исследованиями рабочих органов и полевыми исследованиями технических средств на уборке лука, а также высокой степенью сходимости лабораторных и полевых исследований.

Реализация результатов исследований. Разработанные технические средства для уборки лука использованы при создании совместно с ОАО «Завод Белинсксельмаш» (г. Каменка Пензенской обл.) лукоуборочной машины с транспортерно-пальчатым сепарирующим устройством, с ГНУ ВИМ Россельхозакадемии (г. Москва), ОАО «ВИСХОМ» (г. Москва) и ООО «КЗТМ» (г. Кузнецк Пензенской области) - экспериментального обрезчика ботвы лука и сорных растений, копателя лука-севка с выкапывающе-сепарирующим рабочим органом и подборщика лука-севка с вальцово-битерным подбирающим устройством.

Машины для уборки лука внедрены в ГНУ ВНИИО Россельхозакадемии (г. Москва), СПК «Присурское», ООО «Агрокомплект» Пензенской области и КФХ «Цай Генадий Афанасьевич» Саратовской области.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2000-2009 гг.), ФГОУ ВПО «Рязанская ГСХА» (2000 г.), ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» (2003-2005 гг.), Академия наук о земле (Москва, 2007 г.), ГНУ ВНИИО (2009 г.); на всероссийских научно-практических конференциях Ижевской ГСХА (2005 г.), Ульяновской ГСХА (2008 г.); на международных научно-практических конференциях Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (2004, 2005 гг.).

Комплекс машин для уборки лука экспонировался на II-ом инвестиционном форуме Пензенской области «Экономика стимулов: региональная модель» (2008 г.). Работа отмечена дипломом II степени.

Работе «Разработка опытного образца комплекса машин для уборки лука» Департаментом научно-технической политики Министерства сельского хозяйства РФ присвоен регистрационный номер 0120.0 807449.

Работа стала победителем конкурса на грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых в 2008 году (МК-522.2008.8).

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

· энергосберегающие технологии и технические средства для уборки лука, повышающие производительность труда, качество уборки и энергетическую эффективность;

· математическое описание процесса работы технических средств для уборки лука;

· математическая модель технологического процесса уборки лука;

· расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных режимов работы и оптимальных конструктивно-технологических параметров технических средств для уборки лука.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 печатные работы, в том числе получено четыре патента РФ на изобретение, изданы 4 монографии, 14 статей опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК», пять - без соавторов. Общий объем публикаций составляет 71,4 п.л., из них автору принадлежит 32,4 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы из 272 наименований и приложения на 60 страницах. Диссертация изложена на 366 страницах, содержит 41 таблицу и 141 рисунок.

Содержание работы

Во введении изложена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, изложены результаты исследований и научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы. Цель и задачи исследований» проведен анализ технологий, способов и технических средств механизированной уборки лука, систематизированы основные проблемы и определены перспективные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки лука.

По результатам анализа недостатков работы лукоуборочных машин, с учетом спроса на рынке сельхозтехники в РФ и странах ближнего зарубежья, были определены основные направления исследований.

Проведенный анализ состояния вопроса процесса удаления листостебельной массы перед уборкой, выкопки, сепарации при машинной уборке и подбора лука и научных исследований таких ученых, как Д.Ю. Адамонис, Л.С. Бакулев, Е.С. Босой, И.Ф. Василенко, Н.П. Волосевич, В.П. Горячкин, Е.М. Гутьяр, Н.Ф. Диденко, А.М. Дятликович, Б.Н. Емелин, Л.С. Землянов, К.З. Кухмазов, Н.П. Ларюшин, К.Д. Матвеев, И.И. Мейлахс, В.Ф. Первушин, Г.Д. Петров, Е.Н. Резник, Э.С. Рейнгарт, В.И. Фомин, В.А. Хвостов и др., показал, что серийные и опытные образцы машин, применяемые на уборке лука, особенно на тяжелых почвах, не отвечают агротехническим требованиям или малоэффективны.

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи исследований:

1. Определить перспективные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки лука-севка и лука-репки, обеспечивающие повышение производительности МТА, качества уборки и энергетической эффективности.

2. Разработать технологии и конструктивно-технологические схемы технических средств для уборки лука и теоретически обосновать технологический процесс уборки.

3. Выполнить теоретическое обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров предлагаемых технических средств для уборки лука.

4. Разработать и изготовить рабочие органы технических средств для уборки лука, провести лабораторные исследования по оценке влияния их конструктивных и режимных параметров на качественные показатели работы.

5. Разработать и изготовить опытные образцы технических средств для уборки лука и провести лабораторно-полевые и производственные исследования по оценке качества уборки и энергетических затрат.

6. Обосновать экономическую эффективность использования технических средств для уборки лука.

Во втором разделе «Разработка энергосберегающих технологий и технических средств для уборки лука и их функциональное описание» на основе моделирования технологического процесса уборки лука предложены энергосберегающие технологии уборки лука, учитывающие различные технологические процессы, дано их описание и технологические схемы их функционирования, приведено описание путей повышения энергетической эффективности производства лука.

Снижение трудоемкости и повышение энергетической эффективности производства лука можно осуществить в двух направлениях: первое - совершенствование существующей технологии и системы машин, формирование технологических комплексов и внедрение их в производство; второе - разработка унифицированной по зонам технологии и системы машин, основанной на использовании энергонасыщенных скоростных тракторов, комбинированных машин и агрегатов с совмещенным выполнением операций подготовки почвы, посева семян, внесения гербицидов и удобрений, а также высокопроизводительных уборочных машин и сортировальных линий и большегрузных транспортных средств, взаимоувязанных с системой хранения и реализации овощей.

Для снижения энергетической эффективности производства лука предлагаются технологии уборки, в которые входят:

· для уборки лука-севка - предуборочная подготовка посевов путем скашивания ботвы лука и сорных растений (на высоте не менее 180 мм), выкапывание, сепарация и укладывание в валок с последующим механизированным подбором после вылеживания в течение 10…14 дней для просушки и дозревания;

· для уборки лука-репки - предуборочная подготовка посевов путем скашивания ботвы лука и сорных растений (на высоте 20…50 мм), выкапывание, частичная сепарация и укладывание в валок с последующим механизированным подбором.

Предлагаемая технология уборки лука при производстве лука-репки исключает такой технологический процесс, как послеуборочная обработка, за счет удаления ботвы на корню с последующим транспортированием лука на хранение или на продажу. А при производстве лука-севка удаление ботвы и сорных растений позволяет снизить количество потерь лука при просушивании его в валках на поле.

Технология уборки лука, состоящая из нескольких технологических процессов (удаление ботвы и сорных растений, выкопка и подбор), имеет комплекс функций, которые по области проявления делятся на внешние (общеобъектные) и внутренние (рисунок 1).

Рисунок 1 - Функциональная схема технологии уборки лука

Внутренние функции определяют взаимосвязи внутри объекта и выполняются его элементами. По роли их в рабочем процессе они делятся на основные и вспомогательные. Основные функции обеспечивают работоспособность объекта, а вспомогательные (F₁₁, F₁₂, F₁₃, …, F₃₄) характеризуют средства достижения основных функций и способствуют их реализации.

В соответствии с нормами стандартов и руководящих документов используемые при уборке лука технические решения должны обеспечивать ряд требований: полнота удаления ботвы лука и сорных растений; высота скашивания; полнота выкапывания; повреждение убираемого продукта; потери; содержание почвенных и растительных примесей; полнота подбора. Поэтому для оценки эффективности функционирования технических средств для уборки лука выбраны критерии, объективно отражающие количественные и качественные показатели уборки: качество убираемого продукта и энергоемкость технологии уборки.

Для достижения высокого качества работы технических средств для уборки лука они должны обеспечивать уборку с соблюдением агротехнических требований. При работе технических средств на величину выходных параметров каждого агрегата оказывают существенное влияние: функции внешнего воздействия, функции состояния аппарата, функции управляющего воздействия.

Технологический процесс уборки лука является сложной многопараметрической системой, схема функционирования которой имеет иерархическую структуру, включающую в себя модели отдельных процессов, явлений и их взаимосвязь.

Функционирование уборочных машин протекает в условиях непрерывно изменяющихся внешних воздействий. Их можно рассматривать как многомерную динамическую систему со многими входными и выходными параметрами. С учетом функциональных систем машин и особенностей протекания процессов уборки лука разработаны функциональные системы и математические модели оптимального управления работой технических средств, на основании чего предложена структурная схема технологического процесса уборки лука (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структурная схема технологического процесса уборки лука: О - обрезчик; К - копатель; П - подборщик; D - средство агрегатирования (транспортирования); X_О, X_К, X_П - функции внешнего воздействия (физико-механические свойства лука и состояния внешней среды), Z_О, Z_К, Z_П - функции состояния агрегата (внутренние нерегулируемые параметры агрегата), U_О, U_к, U_П - функции управляющего воздействия (внутренние регулируемые параметры агрегата), Y_О, Y_К, Y_П - результирующие показатели работы соответственно обрезчика, копателя и подборщика; F1 - качество убираемого продукта; F2 - энергоемкость технологии уборки

Каждый технологический процесс в предлагаемой технологии уборки лука является подсистемой и выполняется в определенной последовательности. Итогом их работы являются качество и энергоемкость уборки лука. лук тракторный энергосберегающий

На основании структурной схемы (рисунок 2) функция технологического процесса уборки лука запишется следующим образом:

,(1)

где F - вектор-функция, параметры которого определяют результирующие показатели технологии уборки лука (F1, F2); Х - вектор-функция внешних воздействий на обрезчик Х_О, копатель Х_К и подборщик Х_П (физико-механические свойства лука и состояния внешней среды); Z - вектор-функция состояния технических средств для уборки лука (внутренние нерегулируемые параметры агрегата); U - вектор-функция управляющих воздействий технических средств для уборки лука (внутренние регулируемые параметры агрегата).

;

;

.

После решения задач по определению параметров вектор-функции внешних воздействий, регулируемых и нерегулируемых параметров технических средств лука для построения функции определяются результирующие показатели работы:

- обрезчика ;

- копателя ;

- подборщика ,

откуда общий вид функции технологии уборки лука запишется как

.(2)

В результате изменения внешних воздействий, регулируемых и нерегулируемых параметров будет происходить изменение результирующих показателей как уборочных агрегатов, так и технологии уборки в целом.

Для определения качества уборки и энергоемкости технологии уборки воспользовались методом случайного поиска, согласно которому при переходе от предыдущего состояния F_n-1 к последующему F_n делается шаг , где - единичный вектор, указывающий направление, в котором выбирается изменение оптимизируемых параметров уборочных агрегатов; j - величина шага.

Исходя из этого определение качества уборки и энергоемкости технологии уборки лука будет осуществляться по интерактивной схеме:

(3)

где J - функционал качества уборки лука (полнота удаления ботвы лука и сорных растений; высота скашивания; повреждения; потери; чистота вороха).

Изменение конечных показателей технологии уборки лука по предлагаемой интерактивной схеме (3) будет происходить путем изменения наиболее значимых параметров технических средств.

Для реализации предлагаемых технологий процесса уборки лука на каждом этапе технологического процесса уборки целесообразно использовать специальные машины, обеспечивающие минимальные потери и повреждаемость лука при высокой производительности. Для этого на основании анализа имеющихся технических средств уборки лука разработаны соответствующие устройства.

Для удаления ботвы лука и сорных растений предлагается обрезчик (рисунок 3) (патент РФ № 2339208), состоящий из рамы с устройством для присоединения к трактору и рабочих органов с вертикальной осью вращения, закрытых сверху кожухом, имеющим ботвоотводящее окно. Рама имеет четыре стойки с механизмом механического регулирования высоты скашивания, опирающиеся на пневматические колеса.

Рисунок 3 - Схема обрезчика ботвы лука и сорных растений : 1 - рама; 2 - устройство для присоединения к трактору; 3 - опорно-копирующие колеса; 4 - стойка; 5 - механизм механического регулирования высоты скашивания; 6 - редуктор; 7 - валы; 8 - ножи; 9 - кожух

Рисунок 4 - Схема выкапывающе-сепарирующего рабочего органа:1 - лемех; 2 - битер; 3 - лопасти эластичные; 4 - ротор; 5 - боковина; 6 - стержни; 7 - пружина; 8 - вал; 9 - шнек

Для выкопки лука-севка способом теребления с первичной сепарацией на выкапывающих рабочих органах нами предлагается конструкция выкапывающе-сепарирующего рабочего органа (рисунок 4) (патент РФ № 2240671), состоящего из лемеха, битера с эластичными лопастями и ротора, выполненного из боковин и стержней, зафиксированных для исключения свободного вращения относительно боковин ротора с помощью пружин.

Рисунок 5 - Схема устройства для отделения почвенных примесей из вороха лука-севка: 1 - подающий транспортер; 2 - горка разделительная; 3 - наклонный упругий палец; 4 - скребок; 5 - эластичная пластина; 6 - осадочная камера; 7 - щетка

Для сепарации луко-почвенного вороха лука-севка в ходе машинной уборки нами предлагается конструкция транспортерно-пальчатого сепарирующего устройства (рисунок 5) (патент РФ № 2182415), состоящего из подающего транспортера, разделительной горки, наклонных упругих пальцев, скребков, эластичных пластин, осадочных камер и щетки.

Для подбора валка лука и уменьшения количества почвенных примесей в подобранном ворохе нами предлагается конструкция вальцово-битерного подбирающего устройства (рисунок 6) (патент РФ № 2240673), состоящего из лемеха, копирующего рабочего органа, шестигранного вала, прутковых вальцов и битера с эластичными лопастями.

Рисунок 6 - Схема вальцово-битерного подбирающего устройства: 1 - лемех; 2 - копирующий рабочий орган; 3 - вал шестигранный; 4, 5, 6 - соответственно первый, второй, третий прутковые вальцы, 7 - битер, 8 - лопасти эластичные

В третьем разделе «Теоретические исследования технических средств для уборки лука» рассматриваются закономерности технологических процессов удаления ботвы лука и сорных растений, выкопки, сепарации и подбора лука-севка.

Основной задачей ротационных рабочих органов уборочных машин является полное удаление растительного материала при минимальной скорости резания. Обычно резание стеблей сопровождается динамическим действием режущего инструмента.

Скорость резания является функцией многих независимых переменных: толщина лезвия, угол заточки и наклон ножа, жесткость и влажность стебля, высота резания и т.п., что затрудняет аналитическое решение задачи.

Для обоснования условия среза ботвы лука и сорных растений рассмотрим процесс воздействия лезвия ножа на растение, условие среза которого с некоторой скоростью в общем виде можно записать как:

,(4)

где R_S - сила, необходимая для перерезания стебля режущим инструментом, Н; Р_из - сила сопротивления стебля изгибу, Н; Р_ин - сила инерции стеблей, Н; Р_в - сила сопротивления воздуха при отклонении стеблей, Н; Р_СТ - сила сопротивления отклонению стеблей со стороны рядом стоящей ботвы лука и сорных растений, Н.

На схеме резания (рисунок 7) свободно стоящие стебли без опоры можно представить как консольную балку, жестко закрепленную в основании и подвергающуюся действию силы со скоростью на высоте резания Н.

Рисунок 7 - Схема резания стебля растения

За время удара режущего инструмента стебли отклонятся на величину и займут положение, показанное на рисунке 7. Отсюда скорость режущего инструмента запишется как

,(5)

где Е - модуль упругости первого рода, Па; J - площадь поперечного сечения стебля, м²; H - высота резания стеблей, м; - время удара, за которое стебли отклонятся на величину , с; m - приведенная масса стеблей в точку удара, кг.

Заметное влияние на критическую скорость резания оказывает величина угла наклона лезвия ножа к плоскости его перемещения.

Анализ данных экспериментов, проведенных на различных культурах, рекомендации В.И. Фомина и других исследователей, а также проведенные теоретические расчеты определения оптимального угла наклона и заточки лезвия ножа показали, что угол заточки лезвия ножа должен находиться в пределах 15...25°, но не более угла наклона лезвия ножа, который должен быть в пределах 40…55° к плоскости его перемещения, так как в результате увеличения угла наклона возрастает сопротивление резанию.

При движении машины по полю передняя стенка кожуха наклоняет ботву лука и сорные растения, находящиеся на посевах, при этом происходит излом стеблей и листьев, которые ложатся на почву, что затрудняет их срез. Для поднятия ботвы лука и сорных растений нужно обеспечить такую подъемную силу, создаваемую вращением рабочего органа, чтобы ботва лука и сорные растения поднялись и при этом срезались.

При вращении рабочего органа обрезчика под ним создается разрежение и поток воздуха, направленный от земли. Этот поток воздуха поднимает ботву лука и сорные растения, т. е. силовое взаимодействие потока воздуха с растениями сводится к одной силе лобового сопротивления, при этом направление этой силы совпадает с направлением течения воздуха. Одновременно с создаваемым рабочим органом разрежением через щель между кожухом и землей всасывается воздух и образуется неравномерное поле скоростей в набегающем потоке воздуха, при этом на ботву лука и сорные растения начинают действовать еще подъемная сила и аэродинамический момент, которые способствуют поднятию растений и подводу их в зону резания ножей.

Для поднятия ботвы лука и сорных растений скорость воздуха должна быть больше скорости витания и трогания (рисунок 8). При условии, что подъемная сила равна весу листьев лука, эта скорость определяется, как

,(6)

где - масса листьев лука, кг; g - ускорение свободного падения, м/с²; F - площадь лобового сопротивления листьев лука, м²; - плотность воздуха, кг/м³; - скорость витания, м/с; с_y - коэффициент подъемной силы.

Рисунок 8 - Схема сил, действующих на листья лука

Из уравнения (6) скорость витания запишется как

.(7)

Для того, чтобы листья лука поднялись, скорость воздуха должна быть больше скорости витания : . Ввиду сложности вопроса аэродинамический момент будем полагать равным нулю. При таком условии листья лука будут подниматься вверх со скоростью , определяемой из уравнения

.(8)

Минимальная частота вращения рабочего органа, необходимая для создания потока воздуха со скоростью , которая обеспечит подъем листьев лука со скоростью , найдется из выражения

.(9)

По произведенным подсчетам оптимальная частота вращения, обеспечивающая подъем ботвы лука и сорных растений и их срезание, находится в пределах 1700…2200 мин-¹ для рабочего органа с диаметром траектории вращения ножей 0,5 м.

Извлечение луковиц из почвы осуществляется выкапывающими рабочими органами, задачей которых является полное выкапывание с последующей передачей луковиц на сепарирующие рабочие органы. Для выполнения данной технологической операции использовали устройство теребильного типа, изображенное на рисунке 4.

Чтобы при тереблении было меньше обрывов листьев лука и его потерь, листья лука выкапывающе-сепарирующим рабочим органом желательно захватывать в том месте, где пучок листьев имеет наибольшую прочность.

Сила N зажатия ботвы лопастью битера выкапывающе-сепарирующего рабочего органа (рисунок 9) должна обеспечивать такую силу F сцепления рабочих органов выкапывающего устройства с ботвой, которая в состоянии преодолеть силы сопротивления теребления луковицы.

Исходя из этого можно записать условие теребления луковицы:

,(10)

где f - коэффициент трения листьев лука о материал, из которого изготовлены лопасти битера и стержни ротора; G - вес луковицы с ботвой и налипшей на нее почвой, Н; Q - сила связи подкопанной луковицы с почвой, Н; Р_ин - сила инерции извлекаемой из почвы луковицы, Н; [Р_б] - допустимое усилие разрыва ботвы, Н.

Рисунок 9 - Схема для расчета силы сцепления выкапывающе-сепарирующего рабочего органа, обеспечиваемая лопастью битера и стержнем ротора

Сила инерции Р_ин извлекаемой из почвы луковицы зависит от скорости извлечения луковицы из почвы и может быть определена из выражения

,(11)

где m - масса извлекаемой луковицы, кг; S_с - путь теребления (отрезок пути луковицы в процессе извлечения ее из почвы, на котором имеют место наибольшие усилия теребления), м; _с - приращение скорости луковицы в направлении теребления, м/с.

С увеличением скорости движения уборочного агрегата возрастает (пропорционально _м во второй степени) сила инерции Р_ин извлекаемого из почвы луковицы, а следовательно, и общее сопротивление тереблению луковицы. Как показала практика, при скорости движения уборочного агрегата выше 5 км/ч сопротивление тереблению возрастает настолько, что превышает допустимое усилие разрыва ботвы [Р_б], ботва обрывается, потери лука-севка невытеребленными луковицами превышают допустимые по агротехническим требованиям.

Для надежного защемления ботвы луковицы, чтобы она не соскальзывала с рабочей поверхности лопасти битера и стержня ротора при тереблении, необходимо обеспечить следующее условие:

.(12)

Таким образом, силу теребления луковицы за ботву найдем из условия

,(13)

где - угол наклона лемеха к поверхности почвы, град; _Т - угол между векторами скорости движения машины и линейной скорости вращения рабочих органов, град.

Абсолютная скорость движения луковицы _с при тереблении будет складываться из скорости движения машины _м и линейной скорости вращения рабочих органов _Т, направленной под углом _Т к горизонтали.

После вычислений и преобразований радиус ротора можно найти из выражения

,(14)

а межосевое расстояние битера и ротора - из выражения

.(15)

При поступательном движении машины лопасти битера, приподнимая и направляя полегшую и стоячую ботву в зону теребления, встречаются со стержнями ротора в точке С, зажимая ботву и производя теребление.

При этом длина участка перемещения луковицы при тереблении должна быть не менее глубины залегания луковицы:

,(16)

где - угол теребления (угол между точкой С начала теребления и точкой Д конца теребления луковицы), град; h_л - глубина залегания луковицы в почве, м.

Рисунок 10 - Схема к определению радиуса ротора выкапывающе-сепарирующего рабочего органа

Подставляя значение угла в выражение (13), найдем длину участка перемещения луковицы при тереблении:

.(17)

При тереблении лука выкапывающе-сепарирующим рабочим органом почва, за счет прижатия лопастями битера к поверхности ротора, проходит между стержнями ротора, откуда шнеком удаляется через боковины ротора.

В связи с тем, что выкапывающе-сепарирующий рабочий орган не только производит извлечение луковиц из почвы, но и выполняет первичное отделение почвенных примесей, то для определения интенсивности удаления почвы из внутренней полости ротора используется модель сепарации, предложенная Э.И. Липковичем:

,(18)

где m_х - масса не удаленной из внутренней полости ротора почвы, кг; m_y - масса почвы, удаленной шнеком через боковые окна ротора, кг; m_z - масса почвы, удаленной через зазоры между стержнями ротора, кг.

Изменение состояния общей массы М почвы во внутренней полости ротора через скорость убывания запишется системой дифференциальных уравнений:

(19)

где , - коэффициенты пропорциональности (величина постоянная), с^-1.

После математических преобразований интенсивность удаления почвенных примесей из внутренней полости ротора в зависимости от времени запишется как

(20)

После извлечения лука-севка выкапывающе-сепарирующим рабочим органом из почвы лук подается на приемный транспортер, где происходит вторичное отделение почвенных примесей из вороха. Для предотвращения потерь луковиц между приемным транспортером и ротором выкапывающе-сепарирующего рабочего органа межосевое расстояние между ротором и передним валом приемного транспортера определяется по выражению

(21)

Сепарация почвы в машинах для уборки лука производится на рабочих органах, разделяющих компоненты по признакам. Для выполнения данной технологической операции использовали устройство, изображенное на рисунке 5.

Для определения координат взаимного расположения центров барабанов рассмотрим траекторию полета слоя лука-севка с подающего транспортера на рабочую поверхность горки с началом свободного полета луковицы в точке А (рисунок 11) и началом оси координат хАy в точке А, которая сводится к задаче свободного движения материальной точки с начальной скоростью транспортера _тр под углом к горизонту и под действием силы тяжести. При этом устанавливаем условие: нижний слой вороха лука, сходящий с подающего транспортера, не должен падать на рабочую поверхность горки ниже точки Е.

Рисунок 11 - Схема расположения центров барабанов подающего транспортера и горки: I - траектория движения вороха при минимальной скорости транспортера; II - траектория движения вороха при максимальной скорости транспортера

Траектория полета луковицы с учетом сопротивления воздуха определяется по выражению

(22)

где ₀ - начальная скорость вороха, сходящего с полотна подающего транспортера, м/с; - угол наклона подающего транспортера, град; k - эмпирический коэффициент; t - время полета луковицы, с.

Время полета t может быть найдено совместным решением уравнения (22) с уравнением, описывающим линию рабочей поверхности полотна горки:

(23)

где _г - угол наклона полотна горки, град; Y₀ - ордината точки пересечения проекции продолжения рабочей ветви и полотна горки с осью Y, м.

Во время схода вороха на поверхность горки пальцы должны обеспечивать наименьшее проникновение луковиц между ними. Такими образом, угол наклона пальцев _п должен быть меньше угла _т наклона касательной к траектории полета частицы в точке соприкосновения с рабочей поверхностью горки на коэффициент статического трения луковиц о поверхность пальцев (определен экспериментально), то есть

. (24)

Угол наклона касательной _т к траектории движения частицы в момент достижения рабочей поверхности горки можно найти из зависимости , то есть тангенс угла наклона касательной к траектории движения в точке равен производной функции этой кривой по аргументу Х:

. (25)

Зная угол наклона пальцев _п относительно полотна горки, можно определить угол наклона пальцев ^/_п относительно горизонтали:

. (26)

Рисунок 12 - Схема к определению глубины проникновения луковицы между пальцами

Но при расчете угла наклона пальцев ^/_п относительно горизонтали нужно учесть, что угол наклона горки не должен превышать угла трения вороха лука-севка о поверхность пальцев горки.

Последним технологическим элементом в работе сепарирующего устройства является счесывание вороха с поверхности пальцев.

Во время падения вороха на рабочую поверхность горки луковицы проникают между пальцами. Для более полного снятия вороха ворсом щетки с поверхности пальцев определили глубину проникновения луковиц между ними.

Глубина проникновения луковицы между пальцами находится по формуле

,(27)

где d_л - диаметр луковицы, м; Е - модуль упругости материала, Па; n^/_П - количество пальцев, участвующих в контакте с луковицей; l_П - длина пальца, м; _Л - плотность луковицы, кг/ м³.

(28)

где Р^/_осн - расстояние между пальцами в их основании, м; Р_в^/ - расстояние между пальцами в их вершинах, м; l_П - длина пальцев, м; Х_ВН - расстояние от вершины пальцев до места застревания луковицы, м.

,(29)

где d_осн - диаметр основания пальца, м; d_вер - диаметр вершины пальца, м.

Координаты расположения центров заднего вала горки и вала щетки можно найти по следующим формулам:

(30)

где R₀ - минимальный радиус залегания луковиц между пальцами горки, м; - угол между касательной и горизонталью, град.; D₁ - диаметр щетки, м; - угол между отрезками АО и АО₁, град.

Подбор лука-севка из валков осуществляется подбирающими рабочими органами, основной задачей которых является полный подбор лука и передача его на сепарирующие рабочие органы. Для выполнения данной технологической операции использовали устройство, изображенное на рисунке 6.

Рисунок 13 - Схема к определению диаметра шестигранного вала: 1 - лемех; 2 - вал шестигранный

При работе вальцово-битерного подбирающего устройства поднимаемый лемехом валок перемещается относительно его поверхности, а на сходе с лемеха валок подхватывается шестигранным валом, который передает его на прутковые вальцы.

Для упрощения расчетов принимаем, что точка соприкосновения шестигранного вала с валком лука-севка, сходящего с рабочей поверхности лемеха, равна величине Н расстояния между верхней задней кромкой лемеха и поверхностью почвы (рисунок 13).

,(31)

где l - длина рабочей поверхности лемеха, м; - угол установки (наклона) лемеха, град.

Поступающая масса будет проходить по шестигранному валу с началом контакта вала с валком в точке М без сгруживания и потерь при условии, что предельная составляющая сила трения по оси Х будет больше составляющей выталкивающей силы:

,(32)

при этом

(33)

где f - коэффициент трения вороха лука-севка о материал шестигранного вала.

Диаметр шестигранного вала найдется из выражения

.(34)

Чтобы установить характер работы подбирающего устройства, рассмотрим технологический процесс работы шестигранного вала на примере траектории движения точки А (рисунок 14), расположенной на грани шестигранного вала.

Рисунок 14 - Схема к определению конструктивно-режимных параметров шестигранного вала

Через некоторый момент времени машина переместится вперед на расстояние . За этот же промежуток времени точка А, вращаясь равномерно с угловой скоростью ₁, в относительном движении, перейдет в положение А₁, повернувшись на угол . Тогда уравнение движения произвольной точки боковой грани шестигранного вала будет иметь вид:

(35)

где R - радиус окружности, описываемый точкой, расположенной на конце диагонали сечения шестигранного вала, м; R_А - радиус окружности, описываемой произвольной точкой А, расположенной на грани шестигранного вала, м; _ш.в. - скорость поступательного перемещения шестигранного вала, м/с; ₁ - угловая скорость вращения шестигранного вала, с^-1; - угол, заключенный между радиусом R и радиусом R_А, град.

,(36)

где _м - поступательная скорость движения машины, м/с; - показатель кинематического режима.

Рисунок 15 - Схема к обоснованию параметра R_А

Из рисунка 15 следует, что для шестигранного вала

,(37)

откуда

.(38)

Тогда уравнение движения точки, расположенной на конце диагонали шестигранного вала (=0) (рисунок 15), запишется как

(39)

Интенсивность воздействия шестигранного вала на валок лука-севка обуславливается также разностью в скоростях движения различных точек поверхности шестигранного вала.

Определяя скорость рассматриваемой точки А (рисунок 15), будем иметь:

.(40)

Отсюда скорость движения произвольной точки поверхности шестигранного вала можно определить из выражения

. (41)

Так как угол изменяется в пределах от 0 до 60, то скорость отдельных точек шестигранного вала будет иметь значения в пределах:

при =0,

при =60.

Технологический процесс исследуемого устройства включает одну из основных операций - транспортирование подбираемого валка вращающимися вальцами к приемному транспортеру для последующей сепарации вороха лука-севка и погрузки его в рядом идущее транспортное средство. Отсюда следует, что параметры основного рабочего элемента устройства - вальцов - должны удовлетворять условию отсутствия затаскивания вальцами луковиц малой фракции.

Для определения диаметров вальцов подбирающего устройства рассмотрим взаимодействие одиночной луковицы с вальцами. Для упрощения примем, что луковица имеет шаровидную форму диаметром d_л. Для того, чтобы луковица не проходила между вальцами, принимаем зазор С (рисунок 16) между вальцами устройства равным минимальному диаметру луковицы (С= d_{л min}). Для нормальной работы вальцовой поверхности луковица должна переместиться через валец 2 на последующий.

При вращении валец 2 за счет силы трения F₂ (рисунок 16) стремится затащить луковицу вверх и перебросить через себя. Если заменить действие вальца 2 на луковицу действием условной подвижной наклонной плоскости АА, касательной к луковице и вальцу 2 в точке контакта М₂, то условие затаскивания луковицы вверх этой плоскостью достигается, когда , где ₂ - угол наклонной плоскости АА к горизонтали, град; ₂ - угол трения луковицы о материал вальца 2, град.

Рисунок 16 - Схема к определению диаметра вальцов подбирающего устройства: 1 - валец первый; 2 - валец второй; 3 - луковица

Во избежание повреждения луковиц необходимо исключить их затаскивание между вальцами. При вращении валец 1 за счет силы трения F₁ стремится затащить луковицу между вальцами. Если заменить действие вальца 1 на луковицу действием условной подвижной наклонной плоскости ВВ, касательной к луковице и вальцу 1 в точке касания М₁, то условие незатаскивания луковицы между вальцами этой плоскостью достигается, когда , где ₁ - угол наклонной плоскости ВВ к горизонтали, град; ₁ - угол трения луковицы о материал вальца 1, град.

Тогда диаметр каждого вальца подбирающего устройства можно найти из выражения:

,(42)

где D - диаметр вальца, через который луковица должна перекатиться, м; d - диаметр вальца, через который луковица уже перекатилась, м; С - зазор между вальцами подбирающего устройства, м.

Частота вращения вальцов подбирающего устройства определяет скорость перемещения подбираемой массы вдоль его рабочей поверхности. Она определяется из выражения

,(43)

где d_Л - средний размер луковицы, м.

Для предотвращения сгруживания транспортируемого материала на рабочей поверхности вальцов подбирающего устройства над ними установлен битер. Задача битера состоит в том, чтобы обеспечивать равномерную подачу массы по всей рабочей поверхности вальцов подбирающего устройства. Поэтому начало работы лопастей битера с рабочей поверхностью вальцово-битерного подбирающего устройства начинается в точке контакта F лопасти битера и наружной окружности шестигранного вала, а выходит из зоны контакта с рабочей поверхностью подбирающего устройства в точке Р контакта лопастей битера и наружной окружности третьего вальца.

Рисунок 17 - Схема к определению радиуса битера подбирающего устройства: 1 - битер; 2 - вал шестигранный; 3 - валец первый; 4 - валец второй; 5 - валец третий

При вращении битера валок, за счет силы трения между лопастями битера и шестигранным валом, транспортируется от одного вальца к другому. Если заменить действие лопасти битера и наружной окружности шестигранного вала действием условной подвижной наклонной плоскости КК, к наружной окружности битера и наружной окружности шестигранного вала в точке контакта F, то условие затаскивания валка этой плоскостью примет вид:

,(44)

где ₁ - угол наклона условной плоскости КК к осевой линии расположения вальцов, град.; ₁ - угол трения вороха по материалу шестигранного вала, град.; ₂ - угол трения вороха по материалу лопасти битера, град.

При выходе из зоны контакта лопасти битера с рабочей поверхностью подбирающего устройства валок транспортируется за счет силы трения, возникшей между лопастью битера и рабочей поверхностью третьего вальца. Если заменить действие лопасти битера и рабочей поверхности третьего вальца действием условной подвижной наклонной плоскости LL, касательной и наружной окружности битера и третьего вальца в точке контакта Р, условие перемещения валка этой плоскостью примет вид:

, (45)

где ₂ - угол наклона условной плоскости LL к осевой линии расположения вальцов, град.

Тогда радиус битера можно найти из выражения

.(46)

В четвертом разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены программа, структура проводимых экспериментальных исследований, планы постановки опытов, методика проведения замеров, используемые критерии оценки процессов, перечень используемого оборудования и приборов, описание лабораторных и опытных установок, а также методика исследований физико-механических свойств посевов лука перед уборкой, лука-севка и валка лука-севка во время уборки.

Программа экспериментальных исследований включала:

- экспериментальные исследования в лабораторных условиях;

- экспериментальные исследования в лабораторно-полевых условиях;

- экспериментальные исследования в производственных условиях;

- оценка эксплуатационных показателей (производительность, энергоемкость).

Экспериментальные исследования проводились с целью определения физико-механических свойств посевов лука перед уборкой, лука-севка и валка лука-севка во время уборки; обоснования оптимальных параметров предлагаемых технических средств для уборки лука.

Лабораторные исследования проводились с применением классического метода и теории планирования многофакторного эксперимента на установках, смонтированных на почвенном канале с целью определения интервалов нахождения оптимальных значений конструктивных и режимных параметров технических средств для уборки лука.

Лабораторно-полевые исследования проводились для проверки возможности применения технических средств для уборки лука в реальных условиях и определения оптимальных значений их конструктивных и режимных параметров.

...