Обоснование конструктивной схемы и параметров комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя
На правах рукописи
ГРАКОВ Федор Николаевич
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ
И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО
РАБОЧЕГО ОРГАНА ПЛУГА-КАРТОФЕЛЕКОПАТЕЛЯ
Специальность 05.20.01 – Технологии
и средства механизации сельского хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2012
Работа выполнена на кафедре «Почвообрабатывающие и посев ные машины» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроин женерная академия».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рахимов Раис Саитгалеевич
Официальные оппоненты: Капов Султан Нануович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Информационные технологии и моделирование»
Челябинской государственной агроинженерной академии Охотников Борис Лазаревич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка»
Уральской государственной сельскохозяйственной академии
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»
Защита состоится «22» марта 2012 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Че лябинская государственная агроинженерная академия» по адресу:
454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «21» февраля 2012 г. и размещен на офи циальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ru.
Ученый секретарь диссертационного Возмилов совета Александр Григорьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В настоящее время более 80 % то варного картофеля производится в хозяйствах населения, фермерских и крестьянских хозяйствах, имеющих небольшие посевные площади и низкий уровень механизации. Для таких хозяйств нужна недорогая универсальная техника, которая могла бы при соблюдении необходи мых агротехнических требований к возделыванию картофеля и при ми нимуме переналадок выполнять основные технологические операции:
вспашку, удаление ботвы и выкапывание клубней картофеля. Наиболее энергоёмкими операциями при возделывании картофеля являются под готовка почвы к посадке и выкапывание клубней. В настоящее время машины, применяемые в технологической цепочке возделывания кар тофеля, обладают целым рядом недостатков (узкая специализация, большие потери и травмирование клубней, высокая стоимость и др.).
В связи с этим тема исследования, направленная на создание эффек тивной универсальной машины со сменным рабочим органом, является актуальной и имеет народно-хозяйственное значение.
Цель работы. Обоснование технологической и конструктивной схем, параметров и режимов работы комбинированного рабочего ор гана лемешно-роторного плуга-картофелекопателя для улучшения агротехнических и снижения энергетических показателей его работы.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи ис следования:
1) обосновать технологический процесс работы и конструктив ную схему комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя, составить расчетные схемы и исследовать процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа с клуб неносным пластом почвы, установить технологические параметры комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя;
2) установить влияние конструктивных параметров и режимов работы комбинированного рабочего органа плуга-картофелекопателя на его агротехнические и энергетические показатели работы и обосно вать рациональные параметры комбинированного рабочего органа;
3) изготовить опытный образец плуга-картофелекопателя, про вести его испытания и сравнить полученные результаты с показате лями серийного картофелекопателя;
4) разработать чертёжно-техническую документацию комбини рованного рабочего органа и дать экономическую оценку эффектив ности применения лемешно-роторного плуга-картофелекопателя.
Объект исследования. Технологический процесс выкапывания клубней картофеля комбинированным рабочим органом лемешно роторного плуга-картофелекопателя.
Предмет исследования. Зависимости между конструктивны ми параметрами, режимом работы комбинированного рабочего орга на плуга-картофелекопателя, агротехническими и энергетическими показателями его работы при выкапывании клубней картофеля.
Методологическая и теоретическая основа исследований.
Теоретические исследования базировались на методах аналитиче ского и графического моделирования взаимодействия клубненос ного пласта с пассивным корпусом, имеющим укороченный отвал, и с лопатками ротора.
При проведении экспериментальных исследований использо ваны стандартные и частные методики с применением современно го оборудования.
Научная новизна выносимых на защиту вопросов:
1. Впервые обоснована конструктивная схема и режимы рабо ты комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга картофелекопателя. Новизна способа выкапывания клубней и техни ческого решения на выполнение технологического процесса защи щена патентом РФ на изобретение № 2409926.
2. Разработана технологическая схема и получены аналитиче ские модели процесса выкапывания картофеля, определены рацио нальные конструктивные параметры и режимы работы комбиниро ванного рабочего органа плуга-картофелекопателя, обеспечивающие выполнение агротребований.
3. Получены зависимости для определения энергозатрат на вы полнение технологического процесса выкапывания картофеля ком бинированным рабочим органом плуга-картофелекопателя.
Практическая значимость исследования и реализация результатов:
1. Результаты исследований использованы проектно-конструк торским отделом ООО ИПП «ТехАртКом» при разработке и произ водстве универсального плуга-картофелекопателя.
2. Результаты исследования внедрены в технологический про цесс возделывания картофеля ООО «Совхоз „Каштакский“» и ГНУ ЮУНИИПОК.
3. В 2004 году работа была поддержана грантом по программе развития НИР студентов, аспирантов и молодых ученых в высших учебных заведениях Челябинской области, осуществляемой Мини стерством образования и науки РФ и правительством Челябинской области.
4. Результаты исследований используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии при изуче нии курса «Почвообрабатывающие и посевные машины».
Апробация. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Челябинской государственной агроинженерной академии в 2004–2011 гг., Казах ского национального аграрного университета г. Алматы в 2008 г., ТатНИИСХ г. Казань в 2011 г.
Публикации. Материалы диссертационной работы опублико ваны в восьми научных статьях, две из которых в изданиях, вклю ченных в перечень ВАК, по результатам исследования получен па тент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит введение, пять глав, выводы и рекомендации. Список использованной литературы состо ит из 136 наименований;
работа содержит 54 рисунка, 24 таблицы и 16 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования, приведе ны основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования»
на основе изучения литературных и патентных источников проведен анализ современных технологий и машин для выкапывания карто феля, а также физико-механических свойств почвы и клубней кар тофеля. Представлен обзор и классификация способов выкапывания картофеля и применяемых для этого устройств и машин.
Изучены труды по взаимодействию рабочих органов с почвой и работы по механизации возделывания картофеля ученых В.П. Го рячкина, В.В. Бледных, М.Е. Мацепуро, Б.Л. Охотникова, А.П. До рохова, М.Д. Подскребко, Р.С. Рахимова, С.Н. Капова, П.Г. Свечни кова, О.В. Гордеева, В.И. Митрофанова, Г.Д. Петрова, К.С. Вернера, В.И. Табачук, Г.П. Солодухина, В.И. Вилимас, А.И. Иванова, А.Ж. Мурзагалиева и др. Анализ работ показал возможность выка пывания клубней картофеля комбинированным рабочим органом, состоящим из пассивного корпуса и активного ротора. Также уста новлено, что для снижения травмирования клубней взаимодействие сепарирующих элементов картофелеуборочных машин с клубнем картофеля должно происходить через почвенную прослойку, при этом скорость соударения должна быть не более 6 м/с. Кроме того, исследованиями этих ученых доказано влияние на травмирование картофеля сорта, размеров и зрелости клубней.
В настоящее время более 50 % товарного картофеля произ водится в хозяйствах с площадью возделывания до 15 гектаров.
Для таких хозяйств необходимы недорогие мобильные картофелеу борочные машины, имеющие простую конструкцию и способные работать в различных условиях.
Проведенные поисковые эксперименты показали, что наи более полно предъявляемым требованиям отвечает лемешно роторный плуг ПЛР конструкции ЧГАА, который имеет комбини рованный рабочий орган, состоящий из пассивного корпуса с уко роченным отвалом и активного ротора с приводом от ВОМ трак тора. Апробирование данного плуга при выкапывании картофеля показало, что клубни не имеют повреждений от взаимодействия с ротором и располагаются полосой на убранном участке, но зна чительная их часть присыпана землёй. Снижение потерь карто феля при выполнении данной технологической операции требует уточнения и обоснования параметров верхнего яруса ротора и ре жимов работы такого комбинированного рабочего органа.
На основании вышесказанного была сформулирована следую щая рабочая гипотеза: выкапывание картофеля и вынос клубней на поверхность поля с соблюдением агротехнических требований мо гут быть обеспечены использованием плуга ПЛР с измененной кон фигурацией роторного рабочего органа (патент № 2236771).
В соответствии с гипотезой определены цель и задачи иссле дования.
Во второй главе «Обоснование конструктивной схемы и па раметров комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя» представлены результаты теоретиче ских исследований по обоснованию технологии, режимов работы и конструктивных параметров комбинированного рабочего органа.
Согласно разработанной технологии (рисунок 1), выкапывание клубней картофеля, посаженных по гребневой технологии, произво дится с одного рядка следующим образом: лемешно-роторный плуг картофелекопатель, двигаясь по полю со скоростью Vагр, подкапывает пассивным корпусом клубненосный пласт на глубину а, приподнима ет его, частично разрушает и под определенным углом и скоростями Vx, Vy подаёт на ротор, вращающийся с угловой скоростью и окруж ной скоростью Vокр, где пласт подвергается ударному воздействию лопаток ротора, которые отбрасывают клубни на поверхность поля, в правую сторону от прохода агрегата полосой шириной L.
Рисунок 1 – Технологическая схема выкапывания картофеля комбинированным рабочим органом лемешно-роторного плуга-картофелекопателя На технологический процесс выкапывания картофеля оказы вают влияние следующие параметры комбинированного рабочего органа и режимы его работы (рисунок 2): n – частота вращения рото ра, об/мин;
Vагр – скорость движения агрегата, м/с;
l1,l2 – положение ротора относительно укороченного корпуса, м;
R – радиус ротора, м;
углы наклона и установки лопаток верхнего яруса ротора, град.;
z – количество лопаток верхнего яруса ротора, шт. Данные параме тры необходимо исследовать и обосновать.
Рисунок 2 – Параметры комбинированного рабочего органа Роторный рабочий орган включает в себя три яруса (рисунок 2).
Нижний ярус образуют винтовые лемехи, которые, вращаясь, припод нимают попавшие на них с укороченного корпуса нижние горизонты клубненосного пласта и направляют их на средний ярус, состоящий из ромбовидных пальцев. Пальцы измельчают клубненосный пласт, отделяя клубни от почвы, и частично отбрасывают их в сторону. Верх ний ярус состоит из плоских лопаток, которые в процессе работы ударным воздействием отделяют клубни от почвы и разбрасывают их по полю полосой шириной L вправо от прохода агрегата.
Движение клубненосного пласта по комбинированному рабоче му органу можно разделить на несколько последовательных этапов:
1) подрезание и перемещение клубненосного пласта по лемешно отвальной поверхности укороченного корпуса, подача пласта на ротор;
2) взаимодействие пласта с ротором;
3) разбрасывание частиц клубненосного пласта после взаимо действия с ротором по поверхности поля.
На первом этапе происходит частичное разрушение пласта, подъём на определённую высоту от дна борозды Н и отбрасывание со скоростью V (рисунок 3). Предполагается, что появление боковой скорости Vy в момент схода клубненосного пласта с корпуса будет способствовать снижению ударного взаимодействия с лопатками ро тора и уменьшать вероятность травмирования клубней (значение Vy приведено на рисунке 4).
Рисунок 3 – Расчетная схема к определению скоростей схода частиц клубненосного пласта с лемешно-отвальной поверхности укороченного корпуса Из рисунка 3 проекции скорости V по координатным осям Vx, Vy, Vz, согласно исследованиям П.Г. Свечникова, будут определяться по выражениям:
1, sin = sin·sin;
(1) V V cos tg cos v Vx = V·(cos ·sin – cos·cos ·sin) = Vагр, tg cos cos v Vy = V·(cos ·cos + cos ·sin · sin) = Vагр, tg cos cos v Vz = V·sin ·sin = Vагр. (2) tg cos Рисунок 4 – Зависимость скорости Vy от скорости агрегата Vагр при различных Н Угол траектории движения частицы пласта (угол вхождения на клин) можно определить по формуле:
tg = tg · cos. (3) В формулах 1, 2, 3 приняты следующие обозначения:
V – абсолютная скорость движения частиц клубненосного пла ста в момент схода с поверхности укороченного корпуса, м/с;
Vx,y,z – составляющие скорости V соответственно по осям X, Y, Z, м/с;
v, v, v – углы, образованные вектором скорости V с координат ными осями X, Y, Z, град.;
– угол между горизонтальной проекцией образующих и на правлением движения (угол установки образующих к стенке бороз ды), град.;
– угол между касательной плоскостью к отвальной поверхно сти и дном борозды, град.;
– угол наклона траектории движения частицы почвы к лезвию лемеха (угол вхождения почвы на клин), град.;
– угол резания почвы трёхгранным клином, град.
По формулам (2) для различных значений поступательной ско рости движения агрегата Vагр определены числовые значения Vx, Vy, Vz в зависимости от положения точки схода частиц клубненосного пласта Н от дна борозды. Положение точки Н определяется согласно рисунку 3 углами и.
Для исключения сгруживания клубненосного пласта и обеспече ния равномерности его распределения по поверхности поля необходи мо определить количество лопаток верхнего яруса ротора из условия:
Vо Vр, (4) где Vо – объём клубненосного пласта, поступающего на ротор, м3/с;
Vр – объём клубненосного пласта, сходящего с ротора, м3/с.
Выражая Vо и Vр через режимы работы и конструктивные па раметры ротора, установлено условие выбора количества лопаток z:
abV, (5) z Llr n где Lл – ширина лопатки, м;
lл – длина лопатки, м;
rр – расстояние от центра лопаток до оси ротора, м;
n – частота вращения ротора, об/мин;
а – глубина подкапывания, м;
b – ширина захвата корпуса, м.
Расчеты по формуле (5) показывают (рисунок 5), что для обе спечения работоспособности плуга-картофелекопателя на различных режимах работы количество лопаток ротора z должно быть не менее 4.
Рисунок 5 – Зависимость количества лопаток z ротора от скорости движения агрегата Vагр при различной частоте его вращения n На втором этапе частицы клубненосного пласта после схода с пассивного корпуса взаимодействуют с ротором в условиях откры той борозды.
Для определения рационального положения оси вращения ротора относительно корпуса l1, l2 (см. рисунок 2), обоснования параметров и режимов работы ротора,, R, n и технологическо го параметра L (см. рисунок 1) необходимо определить угол схо да частиц клубненосного пласта с лопаток ротора сх (рисунок 6) и скорость относительного перемещения частиц х вдоль лопатки по оси Х.
Положение оси вращения ротора относительно укороченного корпуса может изменяться вокруг точки первоначального контакта клубненосного пласта с ротором М0 по дуге О1, О2, О3 с радиусом, равным радиусу ротора. Критериями рационального положения ро тора относительно корпуса являются:
1) совпадение направления скоростей Vy и Vокр;
2) разбрасывание пласта перпендикулярно направлению дви жения агрегата;
3) объём клубненосного пласта, поступающий с укороченного корпуса, должен попадать на лопатки ротора.
Угол схода частиц клубненосного пласта с ротора сх зависит от угловой скорости вращения ротора, рад/с, и времени нахожде ния частиц пласта на лопатке ротора tр, а также от углов наклона и установки лопаток ротора (рисунок 7).
Рисунок 6 – Схема к определению Рисунок 7 – Расчетная схема положения ротора относительно к определению угла установки пассивного укороченного корпуса лопаток ротора В работе при известной значе ние величины tр определяется состав лением уравнения движения частицы клубненосного пласта относительно лопатки ротора (рисунок 8). При вра щении ротора с угловой скоростью на двигающуюся вдоль лопатки ча стицу клубненосного пласта действу ют следующие силы:
J – центробежная сила, Н;
, (6) m(r0 ) J где r0 – расстояние от оси ротора до лопатки, м;
х – путь, пройденный частицей по лопатке, м;
Ек – сила Кориолиса, Н:
Рисунок 8 – Силы, действующие 2m ;
(7) на частицу клубненосного пласта Fк – сила трения частицы о ло при её движении по лопатке патку ротора от действия силы Ко ротора вдоль оси Х риолиса, Н:
f sin, (8) 2m F f где – угол наклона лопатки ротора относительно плоскости XOY, град;
х – относительная скорость перемещения частицы пласта по ло патке, м/с;
f – средний коэффициент трения почвы и клубней о лопатку;
– угловая скорость вращения ротора, рад-1;
m – масса частицы, кг;
FG – сила трения частицы о лопатку ротора от силы тяжести, Н:
FG = G·f = G·f·cos = mgfcos (9) I – сила инерции частиц клубненосного пласта, Н:
I = mx, (10) где х – ускорение перемещения частицы по лопатке, м/с2.
Получим сумму проекций сил, действующих на частицу пласта:
0. (11) J F FG I Учитывая установку лопатки ротора под углами и и под ставляя значения сил в уравнение (11), получим дифференциаль ное уравнение движения частиц клубненосного пласта по поверх ности лопатки:
cos 2f sin (cos f sin ) (12) (cos f sin ) gf cos.
r Исследования уравнения (12) в пакете MathCAD показали, что значения угла наклона (рисунок 8) и угла установки (рисунок 7) лопаток верхнего яруса ротора оказывают существенное влияние на агротехнические показатели технологического процесса выкапыва ния клубней картофеля.
Критерием рационального угла наклона лопаток является усло вие отсутствия схода частиц клубненосного пласта через верхний об рез лопаток, т.е. когда клубни не перемещаются вверх по лопатке:
Eк G. (13) Подставляя значения сил Eк и G, получим nx, (14) arctg 15 g где x – скорость перемещения частицы относительно лопатки, м/с.
Значение скорости x определяется по уравнению (12). Резуль таты решения уравнения (14) представлены на рисунке 9, которые показывают, что для соблюдения условия (13) угол наклона лопаток ротора должен быть = 820…900.
Изучено влияние угла установки лопаток ротора на угол схода сх клубненосного пласта с ротора, который зависит от угловой скоро сти ротора и времени пробега tp. Время пробега определено согласно уравнению (12) при = 900 и различных значениях угла. Получен ные данные показали, что рациональное значение угла схода сх, при котором клубни равномерно распределяются по поверхности поля, обеспечивается при радиальном положении лопаток ротора.
Рисунок 9 – Зависимость угла наклона лопаток от коэффициента трения f при различной частоте вращения ротора Угол схода сх при радиальном положении лопатки и угле на клона = 900 составляет от 970 до 1020. Зная пределы изменения угла сх, графическим методом можно определить рациональное положе ние ротора относительно укороченного корпуса, которое составляет l1 = 160…170 мм, l2 = 190…200 мм.
Согласно агротехническим требованиям, предъявляемым к ра боте картофелекопателя, должно быть извлечено не менее 95 % кар тофеля, при этом клубни массой менее 20 г и диаметром менее 28 мм не учитываются. Поэтому на третьем этапе технологического про цесса выкапывания клубней необходимо обосновать частоту враще ния ротора n, обеспечивающую требуемую ширину распределения клубненосного пласта L (рисунок 1).
По данным ВИСХОМа известно, что клубни картофеля в сред нем располагаются в гребнях, имеющих форму равнобокой трапеции общей площадью 0,04 м2. Для выполнения агротребований данную площадь необходимо распределить полосой толщиной 0,03 м и ши риной 1,3 м. Поэтому максимальная дальность полета частиц пласта должна быть не менее 1,3 м. Дальность разбрасывания частиц клуб неносного пласта L будет зависеть от высоты поступления пласта на лопатки ротора Н и частоты вращения ротора.
Без учета сопротивления воздуха и при вертикальном положе нии лопаток L = Vр·t, (15) где t – время полета клубненосного пласта, с:
t 2H / g ;
(16) Vр – скорость, с которой частицы клубненосного пласта отбрасы ваются лопатками ротора, м/с:
n ( x )2, (17) V R где R – радиус ротора, м;
х – относительная скорость перемещения частицы пласта по ло патке, м/с, определяется по формуле (12).
Тогда получим n 2H ( x )2. (18) L R 30 g При известных L, Н, R необходимая частота вращения роторно го рабочего органа определяется по выражению:
[L2 g ( x ) 2 2 H ]. (19) n RH Тогда для обеспечения полного извлечения клубней при задан ных L = 1,3 м, Н = 0,1…0,25 м, R = 0,2 м частота вращения ротора n должна быть более 270 об/мин.
Общая мощность Nобщ, необходимая для работы комбинирован ного рабочего органа плуга-картофелекопателя, зависит от мощности, затрачиваемой на преодоление тягового сопротивления пассивного корпуса, и мощности, затрачиваемой на работу роторного рабочего органа. Общая мощность Nобщ с учетом КПД промежуточных передач от ВОМ трактора до ротора определяется по формуле:
abV 2 ) V ( fG kab N 10 4 k chzn 5 10 QV 6 (20), где П – общий КПД всех промежуточных передач, П = 0,88;
с – сечение почвенной стружки, м2;
h – высота подкапываемого гребня, м;
G – сила тяжести рабочего органа, кН;
ab – площадь сечения подкапываемого гребня (ab = 0,04 м2);
z – число лопаток ротора, шт.;
n – частота вращения ротора, об/мин;
k – удельное сопротивление почвы, кН/м2;
k – удельное сопротивление крошению предварительно разрых ленной корпусом почвы, кН/м2 (k = 0,4…0,6 k);
QП – масса почвы, отбрасываемой за 1 сек, кг/сек;
Vокр – окружная скорость ротора, м/с;
– коэффициент отбрасывания, зависящий от угла установки ло паток ротора ( = 1 – радиально, = 0,85–0,99 – назад и вперёд).
Для определения суммарной эффективной мощности трактора, затрачиваемой на технологический процесс работы комбинирован ного рабочего органа плуга-картофелекопателя, в формулу 20 необ ходимо ввести значения тягового КПД трактора и КПД ВОМ.
В третьей главе «Методика исследований» изложена про грамма экспериментальных исследований, рассмотрен объект ис следований, описана методика их проведения и обработки полу ченных данных, дано описание экспериментального рабочего ор гана (рисунок 10).
Для проверки адекватности теоретических исследований ре альному процессу были проведены экспериментальные исследова ния на изготовленной экспериментальной установке (рисунок 11).
Рисунок 10 – Экспериментальный комбинированный рабочий орган Рисунок 11 – Общий вид плуга-картофелекопателя: экспериментальной установки 1 – корпус, 2 – ротор «плуг-картофелекопатель»
Методика лабораторных исследований заключалась в по становке эксперимента в области рациональных режимов рабо ты плуга-картофелекопателя в соответствии с ОСТ 10 8.5- и по разработанным частным методикам определения ширины по лосы разбрасывания клубненосного пласта и измерения крутящего момента на валу ротора. Изучалось совместное влияние управля емых факторов: скорости движения агрегата Vагр, угла наклона лопаток ротора, частоты вращения ротора n, радиуса ротора R – на агротехнические и энергетические показатели комбинированно го рабочего органа плуга-картофелекопателя.
В четвёртой главе «Результаты экспериментальных иссле дований» представлены результаты исследований на выкапыва нии картофеля, полученные в различных условиях (ООО «Совхоз „Каштакский“», ГНУ ЮУНИИПОК) и с разными сортами карто феля (невский, арника). Почва представляла собой выщелоченный чернозем, тяжелосуглинистый, с влажностью в разных слоях от 7, до 20,3 % и твердостью от 0,8 до 2,5 МПа.
Полученные данные подтвердили достоверность теоретических положений. По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлены рациональные конструктивные параме тры и режимы работы комбинированного рабочего органа плуга картофелекопателя: частота вращения ротора – 300…320 об/мин, скорость движения – 3,0…3,5 м/с, радиус ротора – 0,2…0,25 м, угол наклона лопаток = 820…900, угол установки лопаток радиально.
На рисунке 12 представлена зависимость ширины полосы разбрасы вания L от частоты вращения ротора n.
Рисунок 12 – Зависимость ширины полосы разбрасывания клубней картофеля от частоты вращения ротора (при V = 10 км/ч, R = 0,2 м, = 900) Определены энергетические показатели экспериментальной установки: зависимость тягового сопротивления Rx и общей мощ ности (рисунки 13, 14) от скорости движения агрегата;
зависимость крутящего момент МКР на валу ротора и мощности, затрачиваемой на технологический процесс выкапывания картофеля (рисунки 15, 16), от скорости движения агрегата и частоты вращения ротора при различных его радиусах.
Рисунок 13 – Зависимость тягового Рисунок 14 – Зависимость сопротивления экспериментального общей мощности, рабочего органа Rx от скорости затрачиваемой на привод ротора движения агрегата Vагр и тяговое сопротивление, от скорости движения агрегата Vагр Рисунок 15 – Зависимость изменения Рисунок 16 – Зависимость изменения крутящего момента (––––––) на валу крутящего момента (––––––) на валу ротора и мощности (- - - - -) на его ротора и мощности (- - - - -) на его вращение от скорости движения вращение от частоты вращения агрегата Vагр при различных ротора n при различных значениях значениях радиуса ротора R его радиуса R (уравнение регрессии N = AV + B) (уравнение регрессии N = An + B) По обоснованным параметрам разработана чертежно техническая документация и передана в ООО ИПП «ТехАртКом»
для изготовления и выпуска опытной партии.
В пятой главе «Рекомендации производству и технико экономические показатели внедрения» представлены расчеты эко номической эффективности применения в сельском хозяйстве экс периментального плуга-картофелекопателя в сравнении с серийно выпускаемым и подходящим по эксплуатационным показателям картофелекопателем КТН-2Б.
Предлагаемый способ выкапывания картофеля позволяет сни зить приведенные затраты на 1 га убираемой площади на 40 %, а так же получить дополнительную экономическую прибыль от изменения количества и качества получаемой продукции в размере 12 000 руб./га (в ценах 2010 г.). Годовой экономический эффект на 1 гектар убранной площади составит 34 800 рублей.
Использование лемешно-роторного плуга-картофелекопателя эффективно для возделывания картофеля как в фермерских и кре стьянских хозяйствах площадью до 10–15 га, так и в хозяйствах, имеющих небольшие площади под данную культуру. Кроме того при смене роторов предлагаемый плуг-картофелекопатель выполняет операции вспашки почвы для возделывания картофеля и удаления картофельной ботвы.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Обоснована технологическая и конструктивная схемы ра боты комбинированного рабочего органа лемешно-роторного плуга-картофелекопателя и составлены расчетные схемы процесса его взаимодействия с клубненосным пластом почвы. Установлена рациональная скорость движения картофелекопателя 3,0…3,5 м/с (10,8…12,6 км/ч), при которой в процессе работы пассивный кор пус с укороченным отвалом подрезает и поднимает клубненосный пласт, крошит его и подаёт на ротор в направлении вращения ро тора со скоростью до 1,78 м/с, что снижает ударное воздействие лопаток ротора на клубненосный пласт почвы и уменьшает травми рование картофеля. Обоснованы рациональные значения частоты вращения ротора n = 300…320 об/мин, при которых обеспечива ется ширина полосы разбрасывания клубней картофеля до 1,3 м, что позволяет извлекать на дневную поверхность не менее 95 % товарного картофеля.
2. Установлены зависимости влияния конструктивных па раметров и режимов работы комбинированного рабочего орга на на траекторию перемещения, на вынос клубней на дневную поверхность и их травмирование, что позволило обосновать рациональные параметры ротора и его положение относитель но корпуса с укороченным отвалом, а именно: радиус рото ра R = 0,2…0,25 м, количество лопаток верхнего яруса ротора z = 4 шт., угол наклона лопаток верхнего яруса = 82…900, угол установки лопаток в горизонтальной плоскости радиально. Рас положение оси вращения ротора относительно корпуса с уко роченным отвалом в направлении движения l2 = 190…200 мм, в поперечном направлении l1 = 160…170 мм. Установлена мощ ность, необходимая для работы одного комбинированного рабочего органа на скорости 3,1 м/с (11,2 км/ч) Nобщ = 22,71 кВт, в том числе на привод ротора 3,65 кВт, на преодоление тягового сопротивления картофелекопателя 19,06 кВт.
3. Изготовлен опытный образец плуга-картофелекопателя с обоснованными параметрами и проведены сравнительные испыта ния с картофелекопателем КТН-2Б. Установлено, что разработанный картофелекопатель обеспечивает качественную работу в широком диапазоне влажности почвы, травмирование картофеля находится в пределах 1…2 %, а у КТН-2Б доходит до 7 %. Процент выкапы вания клубней 96…98 %, у КТН-2Б 97…99 %. Производительность плуга-картофелекопателя 0,67 га/ч, у КТН-2Б 0,63 га/ч.
4. Разработана чертежно-техническая документация и пере дана на производство, дана оценка экономической эффективности внедрения плуга-картофелекопателя в хозяйствах. Экономический эффект внедрения плуга-картофелекопателя из-за снижения потерь и травмирования клубней картофеля составляет 12 000 рублей (в це нах 2010 г.). Годовой экономический эффект на 1 гектар убранной площади составит 34 800 рублей.
Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Граков, Ф. Н. Универсальное орудие для возделывания картофе ля / Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников, М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Граков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2004. – № 9. – С. 19–20.
2. Граков, Ф. Н. Теоретическое обоснование конструктивных пара метров активного рабочего органа плуга-картофелекопателя / Ф. Н. Граков // Вестник Ульяновской ГСХА. – 2012. – № 1(17). – С. 111–114.
Публикации в других изданиях 3. Граков, Ф. Н. Результаты экспериментов при испытаниях лемешно-роторного картофелекопателя / М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Гра ков // Материалы XLIII научно-технической конференции : сб. науч.
тр. – Челябинск : ЧГАУ, 2004. – Ч. 2. – С. 83–85.
4. Граков, Ф. Н. Универсальная машина для возделывания карто феля / Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников, М. М. Мухаматнуров, Ф. Н. Граков // Вестник ЧГАУ. – Челябинск, 2004. – Т. 41. – С. 144–147.
5. Граков, Ф. Н. Сравнительное определение износостойкости ле мехов / А. Ф. Кокорин [и др.] // Материалы Международной научно практической конференции : сб. науч. тр. – Алматы, 2008. – Ч. 2. – С. 93–99.
6. Граков, Н. Ф. Обоснование режима работы швыряльного рото ра плуга-картофелекопателя при возделывании картофеля по гребневой технологии / Н. Ф. Граков, Ф. Н. Граков // Материалы XLVII Междуна родной научно-технической конференции : сб. науч. тр. – Челябинск, 2008. – Ч. 3. – С. 123–126.
7. Граков, Ф. Н. Экономическая эффективность применения плуга-картофелекопателя в сельском хозяйстве / Ф. Н. Граков // Вест ник ЧГАА. – Челябинск, 2010. – Т. 55. – С. 44–46.
8. Граков, Ф. Н. Влияние установки лопаток ротора плуга картофелекопателя на сепарацию и травмирование картофеля / Ф. Н. Гра ков // Материалы Всероссийской научной конференции молодых уче ных. – Казань, 2011. – С. 411.
9. Пат. 2409926 РФ, МПК А 01 D 13/00. Способ уборки картофеля и устройство для его осуществления / В. В. Бледных, Ф. Н. Граков, М. М. Мухаматнуров, Р. С. Рахимов, П. Г. Свечников ;
заявитель и па тентообладатель ЧГАА. – № 2009107472 ;
заявл. 02.03.2009 ;
опубл.
27.01.2011, Бюл. № 3. – С. 7 : ил.
Подписано в печать 13.02.2012 г. Формат 6084/ Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия»
454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина,