Технология уборки картофеля в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

 

На правах рукописи

 

 

 

Костенко Михаил Юрьевич

 

 

 

 

 

Технология уборки картофеля  в сложных полевых условиях с применением инновационных решений в конструкции и обслуживании уборочных машин

 

 

 

 

Специальность 05.20.01 –  Технологии и средства механизации  сельского

хозяйства

 

 

 

 

Автореферат диссертации  на соискание учёной степени

 доктора технических  наук

 

 

 

 

Рязань – 2011

Работа выполнена на инженерном факультете ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

 

Научный консультант:       заслуженный деятель науки и техники РФ,

     доктор технических наук, профессор

В.Ф.Некрашевич (ФГОУ ВПО РГАТУ)

 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.А.Макаров  

ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии

    доктор технических наук, профессор    

В.И.Старовойтов 

                                               ГНУ ВНИИКХ   Россельхозакадемии

доктор сельскохозяйственных наук,                              

профессор А.А.Цымбал

                                               ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии

  

 

Ведущее предприятие:                  ГНУ ВИМ Россельхозакадемии

 

 

Защита состоится «26» апреля 2011 года в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1, ФГОУ ВПО РГАТУ.

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический  университет имени П.А. Костычева»

 

 

Автореферат разослан «      » _______2011 года.

 

 

Объявление о защите  и автореферат размещены на сайте ВАК referat_vak@obrnadzor.gov.ru .

 

 

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент   Шемякин А.В.

 

                                        Общая характеристика работы

 

Актуальность темы. В мировом производстве картофеля задействовано около 18 млн. га посадочных площадей. Свыше 40% мирового производства сосредоточено  в Китае, Индии и России. В Российской Федерации в 2009 году картофель выращивали на площади 2,2 млн. га, валовой сбор составил 31,1 млн. т при средней урожайности 14,1 т/га.

Принятая в Рязанской области региональная программа «Картофель» на 2009-2012 годы дала импульс развитию картофелеводства. В 2009 году в сельхозпредприятиях и крестьянских фермерских хозяйствах Рязанской области картофель был размещен на площади 5,6 тыс. га (плюс 2,1 тыс. га к 2008 году). В этих хозяйствах собрано 126,4 тыс. тонн, урожайность составила 23,81 т/га. Во всех категориях хозяйств собрано 450,3 тыс. тонн картофеля (плюс 66,7 тыс. тонн к 2008 году).

При уборке картофеля в дождливую и холодную погоду и при невызревших клубнях, наносятся значительные механические повреждения - нередко до 40-60% и более, в связи, с чем снижается его качество и лежкость при хранении. Даже при удовлетворительных условиях потери урожая картофеля достигают 25-30%. Из них при механизированной уборке – до 13 %,  при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке – до 5-9 %, и при хранении и сортировке – до 7-10%.

Цель исследований. Повышение эффективности процессов и уровня механизации уборки картофеля в сложных полевых условиях путем разработки и обоснования активных подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля  качества уборки картофеля, позволяющих производить настройку уборочных агрегатов и поддерживать рациональные режимы работы, повысить производительность, снизить потери и повреждения клубней.

Объект исследований. Технологии производства картофеля, картофелеуборочные машины и их рабочие органы, свойства компонентов картофельного вороха,  способы оперативного контроля качества уборки картофеля.

Предмет исследований. Теоретические и экспериментальные закономерности технологических процессов рабочих органов  картофелеуборочных машин, способов оперативного контроля  качества уборки картофеля.

Методика исследования. Теоретический анализ работы подкапывающих и сепарирующих рабочих органов и способов контроля качества уборки картофеля  проведены с использованием методов теории вероятностей и механико-математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием частных и отраслевых методик, теории планирования многофакторного эксперимента, а также специально изготовленного оборудования. При  обработке  результатов  исследований  использовалась  программа «STATISTICA».  Оценка  полевых испытаний картофелеуборочных  машин и способов контроля повреждений клубней картофеля проводилась согласно ОСТ 10.8.5 -87 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки и послеуборочной обработки картофеля. Программа и методика испытаний».

Научная новизна работы представлена: совокупностью технологических приемов, образующих технологию уборки картофеля в сложных полевых условиях, включающую подкапывание клубненосного пласта с применением приводных подкапывающих рабочих органов; сепарацию с применением элеваторов, оснащенных активными прутками и активаторами; систему оперативного контроля технологического процесса картофелеуборочных машин, включающую способ и прибор оперативного определения повреждений клубней, устройство поддержания загрузки элеватора. Научная новизна обеспечена: теоретическими и экспериментальными моделями энергозатрат подкапывающего рабочего органа; вероятностной моделью процесса сепарации почвы на  прутковом элеваторе,  учитывающей фракционный состав картофельного вороха; теоретической моделью кинематики и динамики активных прутков элеватора с «бегущими каскадами»; теоретическим обоснованием способа и прибора для контроля повреждений картофеля методом повышения давления; аналитическими выражениями для установки датчиков контроля просева почвы прутковым элеватором. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение №1813344, №2042307, №2147121, №2164738, №2212779, №2243556,   №2350066,  и на полезную модель №13595, № 23989, № 30488, №79009, №81031, №90229.

Практическая ценность работы. Разработана технология уборки картофеля, которая позволяет повысить работоспособность картофелеуборочных машин в сложных полевых условиях и обеспечить высокое качество убранного урожая, низкие повреждения и потери картофеля. Результаты исследований нашли практическое применение в модернизированных картофелекопателях КТН-2В, КСТ-1,4, копателях-погрузчиках Е-684 и картофелеуборочных комбайнах КПК-2-01 и DR-1500.

Производственная  проверка показала эффективность технологии уборки картофеля с применением инновационных решений в конструкции и настройке и поддержании режимов уборочных машин.

Реализация результатов  исследований. Модернизированные картофелеуборочные машины прошли хозяйственные испытания и внедрены в хозяйствах Рязанского, Спасского и Михайловского районов Рязанской области.

Материалы исследований были переданы ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля, ОАО «Фирма «Комбайн»», используются в учебном процессе инженерного факультета ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» и ряде других вузов.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждались на научных конференциях Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (1994 г.), Чувашской ГСХА (1998 г.), межрегиональной научной конференции Мичуринского аграрного университета (2000 г.), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2002, Рязанского государственного агротехнологического университета (1994…2010 г.), на Вавиловских чтениях – 2010(г. Саратов).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 53 печатных работ, в том числе: 8 статей по списку ВАК и 13 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объём  работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, семи разделов, общих выводов, списка литературы из 251 наименований и приложений. Работа изложена на 462 страницах, из которых 334 страницы – основной текст, содержит 33 таблиц и 120 рисунков.

 

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народно-хозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ технологий возделывания и уборки картофеля, рабочих  процессов уборочных машин и контроля качества во время уборки картофеля» дан краткий анализ существующих технологий, способов  и технических средств для уборки, оперативного контроля качества картофеля и регулирования технологических процессов картофелеуборочных машин.

Значительный вклад  в обоснование кинематических режимов  работы дисков  почвообрабатывающих  машин внесли В.П. Горячкин, И.А. Веденеев, В.И. Медведев, Г.Н. Синеоков, А.А. Сорокин, В.А. Хвостов, ими рассматривается силовое взаимодействие дисковых рабочих органов с почвой.

В работах Е.А. Непомнящего, В.М. Цециновского, Н.И. Шоренко,            В. Фишера изучалась возможность просеивания частиц в совокупности с другими частицами. Большинство авторов: Н.В. Бышов, Н.И. Верещагин, В.П. Горячкин, Н.Н. Колчин, Н.И. Кривогов, М.Н. Летошнев, М.Е. Мацепуро, Г.Д. Петров, А.А. Сорокин, М.Б. Угланов, Н.В.Фирсов, В.А.  Хвостов в своих работах выражают мнение, что при сепарации почвенно-картофельного вороха эффективность разделения компонентов определяется кинематическими режимами работы сепараторов. Анализ научно-исследовательских работ показывает, что на подкапывание и сепарирование приходится, примерно, 70% энергозатрат, 60% потерь клубней, 40% повреждений.

 Исследованием повреждений  клубней картофеля в процессе  их уборки в разное время  занимались многие учёные, среди  них: И.С. Бацанов, Л.П.Безрукий, А.И. Бжезовская, В.К. Бойко, Н.И. Верещагин, С.А. Герасимов, Е.А. Глухих, Н.Н. Колчин, С.Н. Крашенинников, Н.И. Кривогов, М.И. Ламм, М.Е. Мацепуро, Р.М. Махароблидзе, В.С. Митрофанов, И.М.Полуночев, С.Ф.Полищук, В.И. Табачук и другие.

Анализ технологий возделывания, конструкций картофелеуборочных машин и выполненных работ позволил определить основные направления совершенствования технологии уборки, рабочих органов картофелеуборочных машин и способов контроля качества уборки картофеля.

Во втором разделе «Проблема механизированной уборки картофеля в сложных полевых условиях» представлена научная проблема, обоснована цель и задачи исследований.

Под уборкой в сложных полевых условиях мы понимаем уборку на почвах, тяжелых по механическому составу, повышенной и пониженной влажности, а также при температуре воздуха ниже 5⁰С и невызревшем картофеле. Всесторонний анализ проблемы механизированной уборки картофеля и моделей работы уборочных машин позволил нам разработать технологическую модель комбайна КПК -2.01, в которой учтено взаимное расположение рабочих органов и рассмотрены основные факторы, определяющие работоспособность в сложных полевых условиях и обеспечивающие высокое качество убранного урожая (рис.1).

Работоспособность в сложных полевых условиях и эффективность картофелеуборочной машины будет определяться технологичностью конструкции, скоростью агрегата и рациональным выбором режимов рабочих органов уборочной машины.

Комбайновая уборка возможна на тяжелых почвах, имеющих хорошую  структурность,  при влажности  почвы 16…25%, содержании камней не более  2 т/га  и растительных остатков  не более  6 т/га.

 Подкапывающие рабочие органы должны обеспечивать работу на рабочих скоростях от 2 до 7 км/ч, разрушать почвенные комки и структуру пласта, ограничивать поступление лишней почвы, особенно из междурядий, перерезать растительные остатки, хорошо транспортировать (передавать) пласт на сепарирующий элеватор.  Эффективность работы подкапывающих рабочих органов характеризуется отсутствием сгруживания, значительных повреждений (не более 1..2 резаных на 200…300 клубней), потерь не более 0,5% и хорошей сепарируемостью почвы на элеваторе.

Сепарирующие рабочие  органы разрушают клубненосный пласт  и обеспечивают просеивание почвенных  компонентов картофельного вороха. Для исключения повреждений картофеля  между клубнями и прутками элеватора необходима почвенная прослойка. Сепарирующая способность элеваторов регулируется работой интенсификаторов. Эффективность работы сепарирующих рабочих органов характеризуется сепарирующей способностью 0,8…0,9 и степенью повреждений клубней картофеля не более 2,0%.

        - перспективные  направления совершенствования

Контролируемые  параметры: Пв – повреждения клубней; Пр - примеси (мелкая почва, почвенные комки, камни, растительные остатки); Пт – потери клубней; ε – сепарирующая способность. Регулируемые режимы и параметры рабочих органов: V – скорость уборочного агрегата; а – глубина подкапывания; ω – угловые скорости отрезающих дисков и интенсификаторов элеватора; α – угол наклона горки; Np – количество вспомогательных рабочих.

Рисунок 1 – Технологическая модель работы модернизированного картофелеуборочного комбайна КПК –2.01

 

Получение высоких урожаев  картофеля возможно на богатых гумусом  почвах, однако комбайновая уборка на тяжелых почвах затруднена, а  при высокой влажности почвы практически невозможна.  Решение научной проблемы уборки в сложных полевых условиях заключается в разработке усовершенствованных картофелеуборочных машин и комбайнов с активными рабочими органами, оперативного контроля качества уборки, а также средств управления технологическим   процессом уборочной машины.

Для повышения эффективности  работы картофелеуборочного комбайна на всех этапах технологического процесса проводится оперативный контроль повреждений  и потерь клубней, а также содержания примесей. Это позволяет вести обоснованный выбор режимов рабочих органов на основе объективных данных. Для поддержания установленных режимов работы уборочной машины и обеспечения рациональной загрузки рабочих органов картофельным ворохом применяется устройство контроля просева почвы прутковым элеватором.