Обоснование технологий уборки сахарной свеклы и условий эффективного применения навесного вибрационного свеклокопателя квс-6
На правах рукописи
РАМАЗАНОВ Абдулкадир Гаджиевич
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ УБОРКИ
САХАРНОЙ СВЕКЛЫ И УСЛОВИЙ ЭФФЕКТИВНОГО
ПРИМЕНЕНИЯ НАВЕСНОГО ВИБРАЦИОННОГО
СВЕКЛОКОПАТЕЛЯ КВС-6
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Мичуринск 2003
Работа выполнена в Государственном научном учреждении "Всероссийский научно исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН)"
Научный руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник Тырнов Юрий Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рыбалко Александр Григорьевич кандидат технических наук, профессор Хмыров Виктор Дмитриевич
Ведущая организация Открытое акционерное общество Казанское опытное конструкторское бюро "Союз" (г. Казань)
Защита диссертации состоится 19 декабря 2003 года в 12 часов на заседании диссертационного со вета К220.041.01 Мичуринского государственного аграрного университета по адресу: 393760, Тамбов ская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мичуринского государственного аграрного уни верситета.
Автореферат разослан 18 ноября 2003 года
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Н.В. Михеев Подписано в печать 14.11. Формат 60 84 / 16. Гарнитура Times New Roman.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,16 усл. печ. л.;
1,0 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. С. 767М Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сахарная свекла – ценнейшая культура. Процесс ее уборки сложен и требует огромных затрат энергии. Несовершенство рабочих органов (копачей) и слабая их приспособленность к работе в сильноизменяющихся почвенных условиях, обуславливает большую вероятность возникнове ния значительных потерь и ухудшение кондиционных свойств корней из-за их повреждений.
Существующие конструктивно-технологические решения свеклоуборочных машин не обеспечива ют, кроме того, достаточной производительности. Растягиваются сроки уборки, и в отдельные неблаго приятные периоды значительная часть урожая может быть невозвратимо потеряна.
В связи с этим повышение эффективности уборки сахарной свеклы применением новых вибраци онных машин является актуальной научной задачей, а с учетом объемов производства сахарной свеклы, ее решение имеет важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнена в Государственном научном учреждении "Всероссийский научно исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве" (ГНУ ВИИТиН) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии на 2001 – 2003 гг.: 04.02.03 "Провести исследования и разработать методы и средства агрегатирования сельскохо зяйственных машин с тракторами, определить рациональные режимы их использования", приказом Ми нистерства сельского хозяйства РФ № 91 от 02.02.2001 "О пилотных проектах".
Цель работы: повышение производительности, снижение потерь продукции и энергозатрат при уборке корней сахарной свеклы, оптимизацией кинематических параметров и режимов работы вибри рующих копачей.
Предмет исследований: навесные копатели корней сахарной свеклы, КВС-6, оборудованные виб рирующими копачами и агрегатируемые с тракторами ЛТЗ-155.
Объект исследований: закономерности развития деформационных процессов в почвах под дейст вием вибрации и их взаимосвязи с критериями энергозатрат и качества работ.
Методика исследований. Для достижения поставленной цели и решения комплекса задач приме нялись теоретические и экспериментальные методы исследований.
В качестве основных методик применялись: методы оптимизации, математического моделирования, агротехнической и энергетической оценки машин, теории вероятностей и математической статистики, хронометражные наблюдения.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по специальным методикам, при разработке которых использованы методы планирования многофакторно го эксперимента и действующие стандарты. В исследованиях применялись современные измерительные средства и аппаратура. Статистическая обработка экспериментального материала и исследования мате матических моделей проводились на компьютерах.
Достоверность научных положений, выводов подтверждена лабораторно-полевыми и хозяйствен ными испытаниями свеклокопателя КВС-6. Теоретические исследования выполнены с применением со временных компьютеров, а их результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению вопроса повыше ния эффективности использования свеклоуборочных МТА за счет совершенствования кинематики ра бочих органов, анализе и обобщении теоретических положений и экспериментальных исследований, в результате которых:
предложен способ повышения эффективности использования свеклоуборочных машинно тракторных агрегатов;
обоснованы режимы эффективного использования вибрационного копателя КВС-6 с учетом со стояния почвенных условий;
разработаны математические модели определения затрат мощности, тягового сопротивления свеклокопателя и возникающих повреждений корней сахарной свеклы копачами при различных режи мах работы и состояниях почвы;
уточнены исходные требования на проектирование вибрационного копателя с возможностью ре гулирования режимов работы в широком диапазоне.
Практическая ценность работы. Применение вибрационного метода извлечения корней позволя ет снизить сопротивление рабочих органов копателя на 30 … 40 % при сокращении повреждений и по терь корнеплодов.
Пути реализации работы. Результаты исследований рекомендуются заводам изготовителям свек лоуборочных машин и тракторов;
вузам, ведущим подготовку инженеров-механиков сельскохозяйст венного производства, для изучения вопросов применения вибрационных рабочих органов машин с це лью интенсификации технологических процессов;
специалистам хозяйств, занятых использованием свеклоуборочных агрегатов для их настройки на оптимальные режимы с учетом состояния почв в пери од уборочных работ.
Внедрение. Результаты диссертационных исследований внедрены:
на Казанском ОКБ "Союз" при проектировании копателей сахарной свеклы типа КВС-6;
на Котовском ОАО "Алмаз" при разработке навесного копателя для комбайна КС-6Б в целях мо дернизации;
рекомендованы Департаментом технической политики Минсельхоза России к использованию в хозяйствах Центрального Федерального округа России;
при разработке рекомендаций по эффективному использованию МТА на уборке сахарной свек лы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
методический подход к решению проблемы повышения эффективности использования свекло уборочных МТА на основе применения принципов вибрации и оптимизации режимов работы рабочих органов с учетом физико-механических и реологических свойств почвы;
математические модели определения затрат мощности, тягового сопротивления навесного свек локопателя и возникающих повреждений корней сахарной свеклы копачами при различных режимах их работы, состояниях почвы и скорости движения агрегата;
результаты сравнительных показателей потерь и эксплуатационно-технологической оценки ра боты свеклоуборочных агрегатов и машин с вибрирующими и пассивными копачами.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и одобрены:
на заседаниях Ученого совета Государственного научного учреждения "Всероссийский научно исследовательский и проектно-технологи-ческий институт по использованию техники и нефтепродук тов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН)" в 2001 – 2003 гг.;
на заседаниях научно-технического совета Казанского ОКБ "Союз" в 2001 – 2002 гг., ОАО "Липецкий тракторостроительный завод", ОАО "Алмаз" в 2002 – гг.;
на научно-практических конференциях Воронежского ГАУ, Мичуринского ГАУ в 2002 – гг.;
на заседании Департамента технической политики Минсельхоза России 2002 – 2003 гг.
Публикации. Основные материалы исследований обобщены и изложены в 9 работах, в том числе в двух монографиях объемом 3,4 и 3,7 печ. л., двух брошюрах (8,8 печ. л.) и книге (13,8 печ. л.), написанных в соавторстве и 3 публикациях в центральной печати, в изданиях рекомендуемых ВАК, информационном листке. Общий объем публикаций составляет 31,7 печ. л., из них лично автору принадлежат – 14,4.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста, со стоит из введения, пяти разделов, общих выводов по работе, списка литературы и 18 приложений. Со держит 17 таблиц и 31 рисунок. Список использованной литературы включает в себе 156 наименований, из них 2 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель исследований, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе приводится анализ конструкций рабочих органов для извлечения корней сахар ной свеклы, результатов исследований в области вибрационного воздействия на обрабатываемый мате риал, обзор исследований в области применения вибрационных рабочих органов в сельскохозяйствен ной практике и отмечается целесообразность применения вибрирующих копачей для уборки корней са харной свеклы по критериям качества работ и ресурсосбережения. Сформулированы задачи исследова ний.
Значительный вклад в теорию и практику использования эффекта вибрации в технологических про цессах, выполняемых сельскохозяйственными машинами в различных почвенно-климатических усло виях внесли работы В.П. Горячкина, П.М. Василенко, Д.Д. Баркан, В.А. Желиговского, А.А. Дубровско го, Г.Н. Синеокова, П.Н. Бурченко, Н.В. Краснощекова, Р.М. Зоненберга, Т.Э. Свирского и др. Приме нительно к технологическому процессу уборки корней сахарной свеклы огромную важность имеют ра боты Г.Н. Гряника, В.И. Дзюбы, А.А. Дубровского, В.В. Брея, Л.В. Погорелова, А.Г. Цымбала и др.
Исследователями отмечается, что эффективность процесса извлечения корней сахарной свеклы из почвы возрастает при нарушении их связей с почвой. Вибрационные и импульсные воздействия наиболее интенсивно создают волны напряжения, способствующие активному развитию деформаци онных процессов в почве, и в последние годы широко используются в конструкциях свеклоубороч ных машин. Деформация почв связывается с частотой, амплитудой и массой вибратора, удельным сопротивлением, плотностью, вязкостью, упругостью почв и скоростью движения машин на основе отожествления поведения почв реологическими моделями. При исследованиях наиболее широко ис пользованы модели идеальных изотропных упругих (линейных и нелинейных), упругопластических и вязкопластических сред.
Задачи динамики дисперсных сред не могут быть решены в рамках этих моделей, что подтвер ждается значительными противоречивыми эффектами (положительными и отрицательными), полу ченными при применении вибрации. Применительно к почвам различной влажности целесообразно применение более сложных моделей. Исследования выполнены в очень узком диапазоне изменений действующих факторов, а результаты носят феноменологический характер и базируются, в большин стве своем, на экспериментальных исследованиях. Обобщений до уровня строгих математических моделей крайне мало. В связи с чем выбор режимов эффективного использования свеклоуборочных машин невозможен.
В соответствии с поставленной целью выдвигаются следующие задачи исследований:
исследовать и идентифицировать взаимосвязи параметров и режимов работы вибрирующих ко пачей с повреждениями и потерями корнеплодов, затратами мощности при уборке сахарной свеклы в изменяющихся условиях их применения;
обосновать основные принципы повышения эффективности применения вибрационных свекло копателей и дать теоретическое обоснование их параметров;
исследовать закономерности изменения критериев качества и энергозатрат с применением виб рирующих копачей;
провести производственную проверку разработок в технологических процессах уборки сахарной свеклы, дать технико-экономическую оценку.
Во втором разделе приведена рабочая гипотеза повышения эффективности технологического про цесса уборки сахарной свеклы машинами с вибрирующими копачами по критериям качества работ и ресурсосбережения, изложены теоретические предпосылки к обоснованию оптимальных условий их применения в технологии уборки сахарной свеклы.
Охарактеризуем возможное снижение энергоемкости уборки корней сахарной свеклы (N) и потерь (повреждений) корнеплодов (П), повышение производительности (W) выражениями вида N 2 Р2 Р2 П W (1) N = =, П = 2 и W = 2, N1 Р1Р1 П1 W где N1, N2 – затраты мощности в сравниваемых вариантах;
П1, П2 – потери (повреждения) корнеплодов в указанных вариантах;
Р2, Р1 – тяговое сопротивление;
Р1, Р2 – скорости движения агрегатов;
W1, W2 – производительность агрегата.
Повышение производительности возможно на основе повышения ширины захвата (рядности ма шин, например с 6 до 12), увеличением коэффициента использования времени смены и скорости движения.
Скорость движения определяет производительность уборочного агрегата. Поэтому в ходе дальней ших теоретических исследований проанализированы факторы, ограничивающие скорость движения аг регата.
На основании аналитических исследований можно утверждать, что скорость движения (), а равно и производительность свеклоуборочного агрегата ограничивается пропускной способностью рабочих ор ганов машины и очистителей, а также тягово-сцепными свойствами энергосредства q qв K (2), (U б П) mа (сц f ) кр mкп Воч Z где ma – масса трактора, кг;
– коэффициент сцепления, учитывающий изменение вертикальной нагруз ки на ведущие органы энергосредства (сцепного веса энергосредства);
сц – коэффициент сцепления, реализуемый движителем энергосредства по условиям взаимодействия его с почвой;
f – коэффициент сопротивления передвижению;
K – удельное тяговое сопротивление уборочной машины, кН/м;
кр – ко эффициент использования тяговой мощности энергосредства;
q0 – пропускная способность очистителя, кг/с;
mкп – масса корнеплодов, расположенных в один слой, кг/м2;
Воч – ширина рабочей поверхности очистителя, м;
Z – количество очистителей, шт.;
– коэффициент использования ширины очиститель ной поверхности рабочего органа;
Uб – урожайность убираемой культуры, т/га;
П – потери корнеплодов;
qв – секундное поступление корнеплодов, почвы и прочих примесей, кг/с.
Удельное сопротивление рабочих органов и затраты мощности можно снизить применением вибрирующих копачей. Применение вибрационного воздействия, кроме того, повышает степень от деления почвы от корнеплодов и способствует дальнейшему снижению затрат мощности на транс портирование корнеплодов. Целесообразным и эффективным, по нашему мнению, является направ ление по созданию навесных машин.
Схема навесного виброкопателя КВС-6 представлена на рис. 1.
Рис. 1 Схема навесного виброкопателя КВС-6:
1 – ботвоудалитель;
2 – шнек;
3 – очищающий вал;
4 – дообрезчик;
5 – виброкопачи;
6 – транспортирующий вал;
7 – валковый механизм Вибрационные копачи представляют собой сварную конструкцию, оканчивающуюся лемехами для выдавливания корнеплодов из земли. Вибрация копачей осуществляется при вращении эксцентриков на валу и взаимодействия их с опорами. Копачи на маятниковой раме имеют возможность поперечного пе ремещения относительно направления движения агрегата.
Привод виброкопачей, ботвосрезающих, транспортирующих, очищающих устройств осуществ ляется от ВОМ трактора.
Сравнительному анализу подвергнута работа пассивных и вибрирующих в продольно вертикальном направлении копачей. Изначально предполагая, что потребляемая мощность при ис пользовании вибрирующих копачей ниже, чем у пассивных.
(3) N е + N вом N е + N вом, где N е, N е – мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений почвы передвижению комбайна с вибрирующими и пассивными копачами, соответственно;
N вом, N вом – мощность, соответственно, пере даваемая ВОМ трактора на привод рабочих органов комбайна с вибрирующими и пассивными копача ми.
Мощность, расходуемую на преодоление сопротивлений почвы резанию и передвижение ком байна с пассивными копачами, выразится известным уравнением:
N е + N вом = f Gт р + Rм р + Gт сц р + [k S + m g tg ( + ) + S р ] р + + М т т iт + М 0 0 i0 + М б б iб, (4) где k – удельное сопротивление орудия;
S – площадь поперечного сечения пласта;
Gт – масса трактора;
f – коэффициент сопротивления перекатыванию;
m – масса пласта;
р – скорость движения агрегата;
– угол наклона лемеха;
– угол трения почвы о материал рабочего органа;
– коэффициент, характери зующий тип лемеха;
– буксование;
Rм – сопротивление агрегата;
Мб, Мт, М0 – крутящие моменты на привод ботвореза, транспортирующих и очищающих устройств, соответственно;
б, т, 0 – частота вращения соответственно валов ботвореза, транспортирующих и очищающих устройств;
iб, iт, i0 – пере даточные отношения;
– плотность почвы.
Баланс мощности свеклоуборочного агрегата, состоящего из трактора и навесного вибрационно го копателя КВС-6 с учетом основных положений механики грунтов, параметров копача и предпо ложений, что движение рабочего органа осуществляется по синусоидальному закону, выразится уравнением N е + N вом = f Gт р + Rм р + Gт сц р + р (m + 1 S к ) sin t + (5) + р S уд р sin t + S лоб р sin t + S лем р sin t + + М т т iт + М 0 0i0 + М б б iб, где m – масса извлекаемых корнеплодов;
Sк – площадь поверхности корнеплодов;
1 – коэффициент сцепления корнеплода с почвой;
сц – коэффициент сцепления движителей трактора с почвой;
– нор мальные напряжения почвы;
Sуд – площадь копачей, участвующих в ударном воздействии;
– касательные напряжения сдвига;
Sлоб – площадь лобового сечения лемешков;
Sлем – площадь боковой поверхности лемешков, участвующих в продольном сдвиге почвы.
Касательные и нормальные напряжения связаны уравнениями (6) = c + tg или = c + f1, где С – коэффициент внутреннего сцепления почвы;
f1 = tg – коэффициент внутреннего трения.
При определенном значении частот колебаний, трение в грунтах может настолько уменьшится, что грунты приобретают свойства вязкой жидкости (вибровязкость) с внутренним трением близким к нулю, и с ничтожной несущей способностью. Так, при влажности песчаных грунтов W = = 6 … 8 % и W 18 % вибровязкости грунтов минимальна. В связи с этим при min, min сле дует ожидать существенного снижения затрат мощности. В интервале влажности почвы 9 W вибровязкость имеет максимальное значение, и следует ожидать меньшего снижения затрат мощно сти или его может не произойти.
Сложность вибрационных процессов и отсутствие исходных данных по изменению реологиче ских свойств почв в условиях вибрации не позволяют выполнить детального анализа воздействия каждой составляющей уравнения на затраты мощности. Поэтому согласно уравнения (5) они учиты ваются совокупно. Это позволяет существенно упростить проведение экспериментальных исследова ний, не снижая их качества и полезности.
В третьем разделе изложена программа экспериментальных исследований, приводится описание технологического процесса уборки сахарной свеклы навесным копателем, методики проведения и оценки погрешностей опытов.
Программой экспериментальных исследований предусматривали: исследование влияния режи мов работы и параметров вибрирующих копачей и почвенных условий на тяговое сопротивление аг регата и энергозатраты;
определение взаимосвязи повреждения корней сахарной свеклы с режимами работы свеклоуборочного агрегата;
сравнение показателей потерь и эксплуатационно технологических показателей свеклоуборочных агрегатов и машин с вибрирующими и пассивными копачами.
В качестве основного метода измерения параметров принят тензометрический, предусматри вающий синхронную их регистрацию на ленте осциллографа (крутящие моменты на валах, амплиту да и частота колебаний, тяговое сопротивление, расход топлива, частота вращения ВОМ и двигате ля).
Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры состоял из осциллографов Н.044.2, К-12 22, тензоусилителей "Топаз-3", электронных счетчиков расхода топлива ИП-154, ИП-179, сменных вибраторов, тензозвеньев, тензопальцев, тензовалов и тензометрической рамки, смонтированных на тракторе ЛТЗ-155. Погрешность измерительной аппаратуры не превышала 4 … 5 %. Обработка опытных данных осуществлялась методами теории вероятностей и математической статистики с ис пользованием элементной базы ЭВМ.
В четвертом разделе изложены результаты и анализ экспериментальных исследований.
При оптимизации режимов работы вибрирующих копачей использованы методы теории плани рования многофакторных экспериментов с применением некомпозиционных планов второго поряд ка. Выбор плана эксперимента обосновывается нелинейностью критериев от величины управляющих факторов, зафиксированных в ходе поисковых исследований.
В качестве критериев оптимизации приняты: тяговое сопротивление уборочного агрегата (У1) и по вреждения корнеплодов (У2). Факторы, интервалы и уровни их варьирования приведены в табл. 1.
1 Интервалы и уровни варьирования факторов Обозначе- Уровни Интервал ние и раз- варьирования варьиро Факторы мерность вания –1 0 + фактора Скорость движе Х1, м/с 1,0 1,5 2,0 0, ния МТА Твердость почвы Х2, МПа 1,5 2,5 3,5 1, Частота колеба Х3, с– ний рабочего ор- 2,0 25 48 гана Амплитуда коле 11, баний рабочего Х4, мм 1,5 6,5 органа Влажность почвы Х5, % 10 18 26 Взаимосвязь тягового сопротивления копателя с характеристиками почвенных условий, режима ми работы вибрирующих копачей и движения агрегата характеризуется адекватной математической моделью (по критерию Фишер Fр F, 1,2 1,4) вида У1 = 15,21 + 4,75 Х 1 0,57 Х 2 3,27 Х 3 1,4 X 4 0,76 X 5 + 10,6 X 12 + 4,16 X 1,34 X 32 9,34 X 4 1,64 X 52 + 0,24 X 1 X 2 + 0,18 X 1 X 3 0,24 X 1 X 4 0,12 X 1 X 5 (7) 0,69 X 2 X 3 0,15 X 2 X 4 0,18 X 2 X 5 0,52 X 3 X 4 0,5 X 3 X 5 0,19 X 4 X 5.
Для анализа приведенного уравнения в направлении оптимизации параметров и режимов работы копателя рассматривали двумерные сечения поверхностей откликов. Результаты расчетов представ лены на рис. 2 – 5.
Из анализа двумерного сечения поверхности отклика, характеризующего тяговое сопротивление свеклокопателя при Х3 = 0;
Х4 = 0;
Х5 = 0 (рис. 2) видно, что минимальное значение тягового сопротивле ния в сечении области оптимума относительно скорости движения агрегата (Х1) и твердости почвы (Х2), равно 16,715 кН. Область оптимума находится в пределах: скорость = 1,4 … 1,6 м/с, твердость Т = 1,9 … 3,1 МПа. При этом с уменьшением скорости движения тяговое сопротивление снижается. С увеличением твердости почвы тяговое сопротивление копателя возрастает.
Анализ двумерного сечения Х1–Х3 поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление копателя (рис. 3) показывает, что минимальное значение тягового сопротивления в области оптимума составляет 12,51 кН при фиксированных на нулевом уровне значений факторов Х2, Х4, Х5. Область оп тимума находится в пределах: скорость движения агрегата – = 1,5 м/с и частота продольных колебаний копача = 25 с. С увеличением скорости движения тяго вое сопротивление агрегата возрастает. Повышение частоты вибрации вызывает уменьшение зоны де формации, что согласуется достаточно полно с результатами теоретических исследований и вызывает рост тягового сопротивления.
Минимальное значение тягового сопротивления свеклокопателя в области оптимума при сочетании факторов Х1 и Х4, а остальные факторы находятся на нулевом уровне, составляет 16,73 кН (рис. 4). Оп тимальные значения факторов: скорость движения агрегата = 1,5 м/с и амплитуда продольных колеба ний копача А = 6,5 мм. Дальнейшее снижение амплитуды вызывает рост тягового сопротивления копа теля вследствие ухудшения процесса деформации почвы.
Анализ двумерного сечения поверхности отклика при сочетании факторов Х1–Х5 (рис. 5) показыва ет, что минимальное значение тягового сопротивления, равное 16,73 кН, наблюдается при скорости движения агрегата = 1,5 м/с и влажности почвы W = 18 %. Снижение влажности вызывает рост тягово го сопротивления агрегата.
Х, м /с 1, 1,5 Х 16, Рис. 2 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление свеклокопателя при Х3 = 0;
Х4 = 0;
Х5 = Х, м/с 1, 12, 1,5 Х 13, 13 1,, с– 2 13,5 36, Рис. 3 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление свеклокопателя при Х2 = 0;
Х4 = 0;
Х5 = X 16, X А, мм Рис. 4 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление свеклокопателя при Х2 = 0;
Х3 = 0;
Х5 = X, м/с X W, % Рис. 5 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление свеклокопателя при Х2 = 0;
Х3 = 0;
Х4 = Представляется важным анализ двумерного сечения поверхности отклика, характеризующего тяго вое сопротивление копателя, по факторам Х3 – частота и Х4 – амплитуда колебаний копачей при фиксированных на нулевом уровне значений фак торов Х1, Х2, Х5, рис. 6. Наименьшее значение тягового сопротивления агрегата наблюдается при частоте колебаний виброкопачей = 25 с–1 и амплитуде (А), равной 6,5 мм. Оптимальная область значения тя гового сопротивления отмечается при частоте колебаний = – = 4,9 … 44,5 с и амплитуде колебаний виброкопачей А = 5,2 … 7,9 мм. При движении от области оп тимума тяговое сопротивление агрегата увеличивается, т.е. дальнейшее увеличение частоты и амплиту ды колебаний нерационально с точки зрения затрат энергии на привод рабочих органов копателя.
Х, с 36, 16, 25 3, 7 17 Х 13, 1,5 6, 4,0 А, мм 9, Рис. 6 Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее тяговое сопротивление свеклокопателя при Х1 = 0;
Х2 = 0;
Х5 = Сравнительные показатели энергооценки процесса уборки свеклы копателем КВС-6 и его работы в различных режимах свидетельствует о том, что работа копателя в оптимальных режимах обеспечивают снижение энергозатрат в среднем на 14 … 18 %. При этом имеются резервы дальнейшего повышения скорости движения МТА. Загрузка двигателя при работе в оптимальном режиме составляет 0,8 … 0,92, тем самым обеспечивается экономия расхода топлива и рост производительности.
Снижение амплитуды до А = 1,5 мм приводит к увеличению тягового сопротивления копателя. Ра бота агрегата нестабильна и сопровождается постоянными остановками по причине появления "бульдо зерного эффекта", что приводит не только к росту энергозатрат, потере производительности, но и зна чительным потерям корнеплодов и их травмированию.
Эффективный подбор режимов работы свеклокопателя КВС-6 в соответствии с условиями уборки позволяет повысить производительность уборочных агрегатов до 1,6 … 1,7 га/ч при значительном со кращении потерь корнеплодов. При этом одновременно обеспечивается экономия дизтоплива на едини цу убранной площади, рис. 7. Внедрение новой технологии уборки сахарной свеклы позволяет снизить потребность в тракторах и уборочных машин.
Обследованием работы свеклоуборочных агрегатов, как ранее выпускаемых промышленностью, так и зарубежного производства, установлено, что повреждения корнеплодов высоки. В основном это обу словлено несоответствием выбранных режимов работы агрегатов, требуемым и сложившимся погод ным условиям.
W, га/ч G, кг/га W W GG ПТ, % ПТ ПТ W, % Рис. 7 Сравнительные показатели использования уборочного агрегата ЛТЗ-155 + КВС-6:
1 – производительность, удельный расход топлива и потери корнеплодов в новом варианте;
2 – соответственно в базовом варианте Взаимосвязь повреждений корнеплодов копачами свеклокопателя КВС-6 с режимами их работы и характеристиками почвы по результатам исследований идентифицирована уравнением У = 11,572 X 10,756 X 2,021 X 3 0, 483 X 4 0,246 X 5 0,059.
(9) Повреждения корнеплодов определены согласно РД 10.8.6-90.
При этом коэффициент множественной корреляции R = 0,9297 и FР = 1,2 (Fтабл = 1,4), т.е. модель адек ватна.
Анализ изменений критерия оптимизации от величины управляющих факторов представлен графи чески, рис. 8 – 11. При этом взаимосвязь критерия с любым из факторов изучалась на основе анализа зависимостей вида Y = f (X ) при фиксированных значениях остальных факторов. Анализу подвергнуто влияние наиболее весомых факторов: скорости движения, частоты и амплитуды колебаний рабочего ор гана.
Взаимосвязь критерия оптимизации с амплитудой колебаний при различных значениях скорости движения и частоты колебаний представлена на рис. 8, 9. Анализ представленного графического мате риала показывает, что увеличение скорости движения при низкой частоте колебаний ( = 2 с–1) приводит к резкому росту повреждений корнеплодов сахарной свеклы. Повышение амплитуды колебаний, при этом, приводит к некоторому снижению повреждений.
Рост повреждений корнеплодов обусловлен сдвиговыми процессами образовавшегося тела волоче ния (корнеплоды с комьями почвы) в направлении движения агрегата и слабой разрушающей способно стью практически невибрирующих рабочих органов, т.е. извлечение корнеплодов происходит с их под пором почвенной массой. Повышение частоты и амплитуды колебаний положительно сказывается на разрушении почвы и вызывает снижение повреждений даже при высоких скоростях движения, так как движение рабочего органа и корнеплодов осуществляется в разрушенном мелкокомковатом почвенном слое без образования тела волочения.
– Дальнейшее увеличение частоты колебаний свыше = 25 с и амплитуды А = 6,5 мм нерационально и связано со значительным повышением потребляемой мощности.
Влияние на критерий У2 наиболее весомого фактора, скорости движения агрегата при увеличении частоты колебаний нивелируется увеличением амплитуды колебаний.
В пятом разделе приведены расчеты экономической эффективности технологии уборки сахарной свеклы с применением навесного копателя КВС-6, оснащенного вибрирующими копачами и агрегати руемого с трактором ЛТЗ-155. В качестве сравнения выбрана технология уборки с использованием свеклоуборочного комбайна КС-6Б с дисковыми рабочими органами.
ПВ, % 13, 11, 9, 7, 5, 3,0 А, мм 1,5 9, 6, 4, А, мм Рис. 8 Зависимость повреждений корнеплодов от амплитуды колебаний:
1 – = 1,0 м/с;
2 – = 1,5 м/с;
3 – = 2,0 м/с;
Т = 3,5 МПа, W = 10 %;
= 2 с– ПВ, % 3, 2, А, мм Рис. 9 Зависимость повреждений корнеплодов от амплитуды колебаний:
1 – = 1,0 м/с;
2 – = 1,5 м/с;
3 – = 2,0 м/с;
Т = 3,5 МПа, W = 10 %;
= 48 с– ПВ, % 6, 4, 2 2 2,, с 26 10 Рис. 10 Зависимость повреждений корнеплодов от частоты колебаний:
Т = 3,5 МПа;
W = 10 %, 1 – = 1,0 м/с;
А = 1,5 мм;
2 – = 1,5 м/с;
А = 6,5 мм;
, с–1 = 2,0 м/с;
А = 11,5 мм 3– ПВ, % 6, 4, 2 2, 2, с 26 2 10, с– Рис. 11 Зависимость повреждений корнеплодов от частоты колебаний:
Т = 1,5 МПа;
W = 26 %;
1 – = 1,0 м/с;
А = 1,5 мм;
2 – = 1,5 м/с;
А = 6,5 мм;
3 – = 2,0 м/с;
А = 11,5 мм Использование уборочных агрегатов на базе тракторов ЛТЗ-155 и навесного свеклокопателя КВС- позволяет получить годовой экономический эффект 1178,4 р./га при одновременном снижении затрат труда в 2,09 раза. Дальнейшее повышение производительности уборочного агрегата до 1,6 … 1,7 га/ч связано с обеспечением подбора и сохранением на заданном уровне характеристик режимов его работы. Оптими зация режимов работы обеспечивает дальнейшее снижение расхода топлива на 5 … 6,5 % и экономию затрат на 10,97 р./га.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1 Эффективность применения навесного свеклокопателя обусловлена повышенным эффектом на рушения связей корнеплода с почвой и крошения почвенного пласта под влиянием вибрирующих копа чей. Движение копачей и корнеплодов в почвах с разрушенной структурой обеспечивает достижение минимальных значений энергозатрат, потерь и повреждений корнеплодов, высоких скоростей движения уборочных агрегатов.
2 Взаимосвязь параметров и режимов работы вибрирующих копачей с критериями качества и ре сурсосбережения адекватно идентифицируются предложенными математическими моделями.
3 В условиях высокой вариации показателей физико-механических и реологических свойств почв основными принципами повышения эффективности использования вибрационного свеклокопателя яв ляются: обеспечение оптимальных соотношений частоты и амплитуды колебаний копача, скорости и движения и повышение тягово-сцепных свойств энергосредств.
с–1, 4 Оптимальные параметры колебательного процесса = 25 А = = 6,5 мм обуславливают при скорости движения уборочного агрегата = = 1,5 м/с снижение энергозатрат в среднем на 14 … 18 % при одновременном снижении повреждений корнеплодов более чем в 2 раза.
5 Дальнейшие снижения повреждений корнеплодов связывается с совершенствованием очищаю щих и транспортирующих устройств уборочных машин.
6 Применение технологий уборки с использованием навесного свеклокопателя в агрегате с тракто ром ЛТЗ-155 обеспечивает повышение производительности на 20 … 30 %, снижение расхода топлива с 29,8 кг/га до 20,2 кг/га в сравнении с комбайном КС-6Б при значительном сокращении потерь корне плодов и загрязненности вороха. Дальнейшее повышение производительности уборочного агрегата до 1,6 … 1,7 га/ч связано с обеспечением подбора и сохранением на заданном уровне характеристик режи мов его работы.
7 Использование уборочных агрегатов на базе тракторов ЛТЗ-155 и навесного свеклокопателя КВС-6 в технологиях уборки сахарной свеклы позволяет получить годовой экономический эффект 1178,4 р./га при одновременном снижении затрат труда в 2,09 раза.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
1 Рамазанов А.Г. Вибрационные процессы и целесообразность их использования в свеклоубороч ных машинах (обзор, анализ, проблема) / А.Г. Рамазанов. – Воронеж: Истоки, 2002. – 54 с.
2 Рамазанов А.Г. Опыт использования навесного вибрационного свеклокопателя КВС-6. Инф. лис ток 70-062-03 / А.Г. Рамазанов. – Тамбов, ЦНТИ, 2003.
3 Рамазанов А.Г. Обоснование параметров и режимов работы вибрационных рабочих органов свеклоуборочных машин / А.Г. Рамазанов. – Воронеж: Истоки, 2003. – 58 с.
4 Балашов А.В. Совершенствование технологического комплекса машин для уборки сахарной свеклы / А.В. Балашов, А.Г. Рамазанов. – Воронеж: Истоки, 2003. – 33 с.
5 Рамазанов А.Г. Качество работы навесного вибрационного свеклокопателя КВС-6 / А.Г. Рамаза нов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. – № 8. – С. 32.
6 Повышение эффективности использования свекловодческих тракторов ВТ-100ДС оптимизацией режимов работы и динамики движения / А.В. Балашов, А.А. Ногтиков, А.А. Армашов, А.Н. Агатов, Е.В.
Бирюкова, Н.В. Чертилин, А.Г. Рамазанов. – Воронеж: Истоки, 2003. – 106 с.
7 Интегральный трактор. Основные потребительские свойства и использование в составе машин ных агрегатов и технологий / Ю.А. Тырнов, А.С. Дурманов, А.В. Балашов, А.А. Ногтиков, Ю.В. Мель ник, А.Г. Рамазанов. – Воронеж: Истоки, 2003. – 218 с.
8 Дурманов А.С. ЛТЗ-155 верный помощник свекловода / А.С. Дурманов, А.В. Балашов, А.Г. Ра мазанов // Сельский механизатор. 2003. – № 12. – С. 9 – 12.
9 Балашов А.В. Оптимизация режимов работы вибрирующих ко пачей свеклоуборочных машин методами планирования эксперимента / А.В. Балашов, А.Г. Рамазанов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. – № 12. (в печати).