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

Анализ проблемы уборки картофеля в сложных полевых условиях позволил сформулировать научную проблему и задачи исследований:

- проанализировать технологические приемы возделывания и уборки картофеля и на их основе определить перспективные направления повышения качества подкапывания и сепарирования;

- разработать  конструктивно-технологическую схему  подкапывающего рабочего органа и исследовать его кинематические и силовые параметры;

- разработать конструктивно-технологическую схему сепарирующего элеватора, исследовать его кинематику и обосновать режимы работы;

- исследовать сепарацию  картофельного вороха;

- исследовать силовое  взаимодействие картофельного вороха  с элементами конструкции элеватора  и обосновать параметры активатора и комбинированных прутков сепарирующего элеватора;

- обосновать способ  и разработать технические средства  оперативного контроля повреждаемости  картофеля рабочими органами  картофелеуборочных машин;

- исследовать повреждаемость клубней картофеля рабочими органами различной конфигурации;

- обосновать технологию  настройки уборочной машины и  способы поддержания рациональных  режимов работы на основе контроля процесса сепарирования и повреждаемости клубней картофеля;

- определить технико-экономическую эффективность разработанных технологий уборки картофеля и качественных показателей уборочных машин.

 

В третьем  разделе «Исследование активных подкапывающих рабочих органов» представлены исследования силового взаимодействия активных подкапывающих рабочих органов с почвой и обоснование их параметров и режимов работы.

Производительность и  качество выполнения технологического процесса картофелеуборочной машины существенно  зависит от состояния клубненосного  пласта, поступающего на рабочие органы машины. Поэтому уже в процессе подкапывания необходимо воздействовать на пласт с целью ограничения захвата «свободной» почвы и почвенных комков,  крошения пласта. С другой стороны подкапывающие рабочие органы должны способствовать передаче клубненосного пласта на сепарирующий элеватор. Конструктивно-технологическая схема рабочего органа включает опорно-опрессовывающий каток вертикально расположенные диски, имеющие привод от гидромоторов, и установленный между ними секционный лемех (рис. 2). На приводных внешних дисках для улучшения сцепления и транспортировки клубненосного пласта могут устанавливаться грунтозацепы, выполненные в соответствии с конструкцией, защищенной патентом №1813344.

 

1- секционный лемех; 2- приводной отрезающий диск; 3- грунтозацепы; 4- пассивный отрезающий диск; 5- гидромотор; (опорно-опрессовывающий каток не показан)

Рисунок 2- Схема экспериментального подкапывающего органа

 

При подкопе клубненосный пласт подрезается секционным лемехом 1. Диски обрезают пласт с обеих  сторон, ограничивая захват уплотненной почвы из междурядий и перерезая растительные остатки. Привод отрезающих дисков обеспечивает окружную скорость грунтозацепов выше поступательной скорости пласта. В результате разницы скоростей и внедрения грунтозацепа клубненосный пласт разрушается с боков и транспортируется на сепарирующий элеватор.

Количество поступающей  почвы во многом зависит от формы  и взаимного расположения элементов  подкапывающего рабочего органа. Сравнивая  поперечные силуэты подкапывающего рабочего органа комбайна КПК-2.01 и предложенного рабочего органа, установлено уменьшение захвата почвы. Так при глубине подкапывания  0,20 м предложенный рабочий орган забирает почвы на 3…5% меньше в сравнении с серийным (КПК-2.01), при увеличении глубины подкапывания до 0,22 м при глубокой посадке картофеля или при рассыпании грядки поступление почвы снижается на 10…12%.

Для анализа силового взаимодействия приводного диска с почвой, используя графо-аналитический метод В.П. Горячкина, мы получили аналитические выражения для крутящего момента и силы тяги диска с учетом,  что сила бокового давления является функцией от глубины погружения диска.

Силовое взаимодействие боковой поверхности диска с почвой представлено на (рис. 3). Диск располагаем в прямоугольной системе координат, начало которой находится в центре диска, ось OY направлена вертикально вниз, ось OX - горизонтально в направлении поступательной скорости движения.

Сложное движение диска  включает поступательное перемещение  и вращение относительно центра диска. Это движение можно представить как движение относительно мгновенного центра скоростей.

Тогда   на каждой    элементарной   площадке    боковой    поверхности диска   со стороны почвы действует элементарная сила трения dF,  направленная против мгновенной скорости .

 

Рисунок 2 - Схема силового взаимодействия активного диска с почвой.

 

Преобразовав выражение для силы тяги диска с учетом выражения r=R/λ и проинтегрировав, получим:

    , (1)

где R - радиус диска;

a- глубина хода диска в почве;

           f - коэффициент трения почвы по поверхности диска;

р - давление почвы на боковую   поверхность   диска, зависящее от глубины погружения (p=p(a));

dxdy    - элемент площади;

у - расстояние от элементарной площадки до оси ОY;

х - расстояние от элементарной площадки до оси ОХ;

r - расстояние от центра диска до  мгновенного   центра скоростей;

λ - кинематический режим - соотношение окружной и поступательной скоростей диска.

Общий момент на валу диска  пропорционален площади контакта его боковой поверхности с почвой. В процессе взаимодействия на участках боковой поверхности диска возникают силы трения, способствующие вращению дисков. Причем, чем выше кинематический режим работы дисков, тем меньше проявляется их влияние. В нормальных условиях работы при переходных режимах вращение дисков происходит в результате суммирования пассивного и активного потребляемого на привод крутящих моментов на валу диска.    

     М_общ = М₁+М₂                                                                           (2)

Тогда потребляемый крутящий момент на привод диска будет равен  разнице общего и пассивного моментов:

    М₂ = М_общ - М₁                                                                                   (3)

Потребляемый крутящий момент на привод дисков равен:

                                              (4)

Обоснование геометрических    и   энергетических    показателей работы активного диска имеет большое значение при конструировании подкапывающих органов картофелеуборочных машин. Полученные аналитические зависимости тягового сопротивления и    моментов сил   трения    боковой поверхности диска от кинематического режима работы диска представлены на рисунке 3.

С увеличением кинематического режима, то есть соотношения окружной и поступательной скоростей диска, происходит изменение знака тягового сопротивления, и диск создает дополнительную силу тяги. Наибольший прирост тягового усилия наблюдается при кинематическом режиме λ= 2.2, дальнейшее увеличение частоты вращения дисков при фиксированном значении поступательной скорости до λ=3 вызывает повышенный расход мощности, так как рост тягового усилия ограничивается.

Влияние пассивного крутящего  момента проявляется при кинематических режимах работы дисков λ=0,9…1,3. Потребляемый крутящий момент на привод дисков имеет минимальные значения при кинематических режимах λ= 1,7 ... 2.,2. Потребляемый момент на привод дисков при кинематических режимах λ > 2 совпадает с общим крутящим моментом, а пассивный момент в этом случае стремится к нулю.

 

М_общ – общий крутящий момент; M₂ – потребный момент на привод дисков; М₁ – пассивный момент; R_Т – тяговое усилие диска; λ- кинематический режим.

Рисунок 3 - Зависимость силового взаимодействия активного диска с почвой.

 

Также были получены зависимости общего крутящего момента и тягового сопротивления в функции от радиуса диска. Зависимость и монотонно возрастают с увеличением радиуса. При этом сила тяги диска возрастает значительно быстрее, чем потребляемый крутящий момент на привод. Таким образом, транспортирующая способность дисков возрастает с увеличением радиуса диска.

Лабораторные экспериментальные  исследования проводились на почвенном  канале ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева». При проведении испытаний использовалась тензометрическая установка, смонтированная при участии ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля. В качестве измерительного элемента для регистрации тягового сопротивления использовалось универсальное тракторное звено УТТЗ-1,5. Для регистрации контролируемых параметров применялись: осциллограф шлейфовый Н0443 с регистрацией сигналов на фотобумаге, усилитель 8АНЧ-7М, токосъемники ТРАП-45. Частота вращения боковых дисков измерялась с помощью специальных счетчиков - герконов и постоянных магнитов, закрепленных на дисках. Определение вертикального и горизонтального усилия осуществлялось с помощью оси, на которую наклеивали тензодатчики.

Уравнение регрессии при планировании эксперимента рассчитывалось по программе "STATISTICA" версия 6, в результате обработки результатов таблицы были получены следующие уравнения.

R_T =-1179,8 + 3038,6υ – 6,76n – 691.66υ² – 6.32υn +0.084n² ,       (5)

где   υ- скорость движения подкапывающего рабочего органа, м/с;

n- частота вращения приводного диска, об/мин;

R_T – тяговое сопротивление, Н.

 M= 321,54 – 168,89 υ+ 2,42 n + 65,28 υ² – 0,98 υ n -0,003 n²,     (6)

где   M – крутящий момент, Нм.

На основании уравнений 5 и 6 построены поверхности отклика и контурные графики зависимостей тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа и крутящего момента приводного диска (рис. 4,5). В результате исследований установлено, оптимальное значение кинематического режима активного диска составляет λ=1,7, что соответствует наименьшим энергозатратам на привод диска. Диапазон  регулирования  частоты вращения дисков диаметром 0,70 м подкапывающего рабочего органа, движущего со скоростью 1,2...1,8 м/с составляет от 85 об/мин до 110 об/мин. Такой режим работы активных отрезающих дисков требует определенных затрат энергии на привод дисков.

Мощность на преодоление тягового сопротивления предложенного рабочего органа определится выражением

N₁= R_T υ                                                                                                      (7)

где    N₁- мощность тяговая,  Вт;

υ - скорость рабочего органа, м/с;

R_T - тяговое сопротивление,  Н.

С другой стороны мощность расходуется  на привод дисков,  создающих  крутящий момент и дополнительное тяговое усилие

N₂=Mω                                                                                                          (8)

где     N₂ – мощность на привод дисков, Вт;

М - крутящий момент дисков,  Нм;

ω - угловая скорость вращения дисков, с.

Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа

= R_Tυ + Mω                                                                                 (9)

где     -  общая мощность на привод рабочего органа.

Рисунок 4 –Контурный график зависимости тягового сопротивления подкапывающего рабочего органа от его скорости (Var1) и частоты вращения (Var2) приводного диска.

 Рис. 5 - Контурный график зависимости крутящего момента активного диска от его частоты вращения(Var2)  и скорости  подкапывающего рабочего органа(Var1).

Для определения наиболее экономичного режима работы подкапывающего рабочего органа была проведена специальная серия экспериментов по исследованию влияния кинематического режима работы дисков на энергозатраты подкапывающего рабочего органа. На основе результатов опытов была получена математическая модели процесса в виде уравнения регрессии.

  = -7371.86 + 8839.44υ+ 50.96n – 1559.64υ² – 26.42υn + 0.072n² .           (10)

  На основании уравнения  10 построены поверхности отклика и контурные графики зависимости потребляемой  мощности подкапывающего рабочего органа от скорости рабочего органа и частоты вращения приводных дисков (рис.6).

 

Рис. 6 - Контурный график зависимости потребляемой мощности подкапывающего рабочего органа от частоты вращения приводного диска(Var2)  и скорости его движения(Var1).

 

Полученная зависимость  представленная на рис. 6 показывает, что  величина мощности подкапывающего рабочего органа зависит от мощности на привод дисков и на передвижение рабочего органа. Общая мощность на привод подкапывающего рабочего органа при повышенных кинематических режимах работы дисков λ > 2,5 определяется, в основном, мощностью на привод дисков. Поэтому, в целях ограничения энергозатрат кинематический режим работы дисков следует выбирать не выше 2,2.