Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Министерство сельского хозяйства РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Мичуринский государственный аграрный университет
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ ПАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКОЕ
СРЕДСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В УСЛОВИЯХ
ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных
наук, доцент Соловьев С.В.
Мичуринск – наукоград РФ, 2015 г.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ........... 11
1.1
Краткий анализ условий уборки сахарной свёклы. Агротехнические
требования.............................................................................................................. 11
1.2
Способы и технологии уборки сахарной свёклы .................................. 14
1.3
Анализ средств механизации для уборки сахарной свеклы................. 17
1.4
Анализ способов очистки корнеплодов сахарной свеклы и
очищающих рабочих органов от почвы при уборке в неблагоприятных
погодных условиях................................................................................................ 35
1.5
Анализ использования щёточных очистителей..................................... 41
1.6
Выводы по разделу ................................................................................... 45
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ
ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ
НАЛИПШЕЙ ПОЧВЫ СО ЩЕТОЧНОГО ОЧИСТИТЕЛЯ ............................. 47
2.1
Обоснование конструктивно-технологической схемы очистителя
корнеплодов свеклы от загрязнений ................................................................... 47
2.2
Определение конструктивно-кинематических параметров и режимов
активного очистителя ........................................................................................... 50
2.2.1 Обоснование усилий давления ворса щёточного очистителя .......... 51
2.2.2 Обоснование геометрических параметров очищающей
цилиндрической пружины .............................................................................. 61
2.2.3 Обоснование жесткости пружины ....................................................... 63
2.2.4 Обоснование теоретической скорости удара ворсины о поверхность
витка пружины ................................................................................................. 66
2.2.5 Определение теоретической скорости удара по ворсине,
необходимого для очистки от налипшей почвы .......................................... 69
2.2.6 Исследование контактного взаимодействия ворсины с витком
пружины ........................................................................................................... 74
3
2.3
Выводы по разделу ................................................................................... 76
3 МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ................................................................................................ 78
3.1
Программа экспериментальных исследований ..................................... 78
3.2
Методика определения влажности почвы в поле .................................. 80
3.3
Методика определения влажности почвы на извлечённых
корнеплодах ........................................................................................................... 82
3.4
Методика определения липкости почвы ................................................ 83
3.5
Методика определения коэффициента внешнего трения почвы по
поверхности ........................................................................................................... 86
3.6
Методика определения диаметра корнеплодов ..................................... 87
3.7
Методика определения загрязненности корнеплодов свёклы ............. 88
3.8
Методика определения скорости удара, необходимого для отрыва
почвы от ворсины .................................................................................................. 89
3.9
Методика определения расстояния до места удара по ворсине .......... 91
3.10
Методика исследования взаимодействия щеточного очистителя с
пружиной и определения степени очистки корнеплодов ................................. 91
3.11
Оптимизация параметров рабочего органа для очистки корнеплодов
сахарной свеклы .................................................................................................... 94
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ
АНАЛИЗ ................................................................................................................. 97
4.1
Результаты определения некоторых физико-механических свойств
почвы .................................................................................................................... 97
4.2
Результаты определения некоторых физико-механических свойств
корнеплодов ........................................................................................................... 99
4.3
Результаты определения загрязненности корнеплодов свёклы......... 100
4.4
Результаты определения скорости удара ............................................. 101
4.5
Результаты определения места приложения ударного импульса ..... 102
4.6
Результаты лабораторных испытаний установки для очистки
корнеплодов сахарной свеклы ........................................................................... 104
4
4.7
Результаты определения оптимальных значений параметров рабочего
органа для очистки .............................................................................................. 106
4.8
Выводы по разделу ................................................................................. 110
5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ
УДАЛЕНИЯ НАЛИПШЕЙ ПОЧВЫ СО ЩЕТОЧНОГО ОЧИСТИТЕЛЯ ПРИ
УБОРКЕ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ ........................... 112
5.1
Эффективность применения устройства для очистки щеточного
очистителя от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной
влажности ............................................................................................................. 112
5.2
Энергетическая эффективность применения устройства для очистки
эластичных прутков щеточных очистителей при уборке в условиях
повышенной влажности почвы .......................................................................... 114
5.3
Расчет затрат на перевозку корнеплодов сахарной свеклы и
определение потерь плодородного слоя почвы и гумуса ............................... 118
5.4
Выводы по разделу ................................................................................. 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................... 124
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 140
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Сахарная свекла является одним из
основных источников получения сахарного песка в Российской Федерации.
При высокой агротехнике, а также соответствующих условиях: почвенных,
климатических и погодных, она способна обеспечить урожайность до 70-80
т/га, а выход сахарного песка может достигать 10 т/га.
Одной из наиболее трудоемких операций при возделывании сахарной
свеклы является уборка. По мнению Д. Шпаара свеклу можно считать спелой,
если она за несколько дней затрачивает запасов энергии на дыхание больше,
чем образовывает новый запас веществ ассимиляцией. При определении сроков уборки нужно учитывать, что интенсивный рост корнеплодов и накопление в них сахара происходит со второй декады сентября. В условиях Центрального Черноземья данный срок наступает поздней осенью, который характеризуется ухудшением агрофизических свойств почвы (повышается влажность и
липкость). В результате этого у выкапывающих и сепарирующих рабочих органов свеклоуборочных машин происходит залипание почвой, ухудшаются
возможности очистки корнеплодов, что резко снижает качество уборки.
Поэтому разработка высокоэффективного рабочего органа для очистки
сахарной свеклы, адаптированного к условиям уборки в неблагоприятных погодных условиях, позволяющего снизить загрязненность выкопанных корнеплодов, неэффективные затраты на их транспортировку и предотвратить потери плодородного слоя почвы и гумуса, является весьма актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с перспективным планом НИР Мичуринского ГАУ на 2010-2015 гг. «Технологическое и энергетическое обеспечение сельского хозяйства», раздел «Совершенствование технологического процесса уборки сахарной свеклы при повышенной влажности почвы».
6
Степень разработанности темы. Вопросам механизированной уборки
корнеплодов сахарной свеклы посвящены работы Ю.Б. Аванесова, Н.И. Кривогова [3], [4], Н.П. Волосевича [5], [6], А.Ф. Никитина [7], [8], [9], [10], [11],
[12], Ю.А. Тырнова, Л.В. Погорелого, В.В. Брея [13], [14], [15], [16], И.А. Дробышева [17] и других исследователей.
Проблемам повышения эффективности очистки корнеплодов сахарной
свёклы путем применения щеточных рабочих органов посвящены труды ряда
авторов: Ч.Е. Арданова [18], К.К. Адрианова, Г.Р. Винтерле [19], А.В. Дервиша
[20], С.А. Найданова [21], [22], [23], В.И. Горшенина, В.Я. Кондратьева, В.М.
Булгакова, С.В. Соловьева [24], [25], [26], [27], [28], [29], В.А. Мухина, М.К.
Дусенова [30], [31], К.З. Кухмазова [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], и других ученых.
Однако, несмотря на большое количество различных технических решений по повышению эффективности очистки, возможности совершенствования
данного процесса и технических средств в сложных погодных условиях полностью не исчерпаны и требует дополнительных исследований по теме загрязнения ворса щетки и повышению степени очистки корнеплодов.
Цель исследований - повышение качества очистки корнеплодов сахарной свеклы щеточным очистителем путем разработки устройства для удаления
с него налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности.
Поставленная цель предусматривает решение следующих задач исследований:
1. Провести анализ существующих очистительных рабочих органов, выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей в период уборки при повышенной влажности.
2. Теоретически исследовать процессы налипания почвы на щеточные
органы уборочных машин и разработать устройство для удаления налипшей
почвы с них при уборке в неблагоприятных погодных условиях.
7
3. Экспериментально исследовать влияние конструктивно-режимных
параметров рабочих органов для удаления налипшей почвы со щеточных барабанных очистителей и определить их оптимальные значения.
4. Провести производственную проверку экспериментальной установки
для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя и определить технико-экономическую эффективность её использования.
Научная новизна:
- обоснована конструктивно-технологическая схема и конструкция
устройства для очистки щеточного рабочего органа уборочных машин от
налипшей почвы, при уборке сахарной свеклы в условиях повышенной влажности;
- получены аналитические зависимости, характеризующие закономерности взаимодействия рабочих органов разработанного устройства с ворсинками щеточного очистителя корнеплодов;
- разработана математическая модель процесса очистки щеточного очистителя корнеплодов предлагаемого устройства от налипшей почвы при
уборке в условиях повышенной влажности;
- теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры устройства;
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение № 2400048 «Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов».
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая часть работы заключается в разработке математических
зависимостей и установлении влияния технологических и конструктивных параметров рабочих органов на процесс очистки щеточного устройства от
налипшей почвы в условиях повышенной влажности.
Применение разработанного устройства позволяет снизить загрязненность выкопанных корнеплодов на 65…70%, неэффективные затраты на их
8
транспортировку 438,4 руб./га, а также вынос плодородного слоя почвы и гумуса соответственно на 3,5 и 0,21 т/га по сравнению с серийными уборочными
комбайнами при использовании их в условиях повышенной влажности.
Методология и методы исследований. Методология проведённых исследований основывается на анализе книг научной и производственной тематики, патентной литературы, научных статей отечественных и зарубежных авторов и информационных изданий. Теоретические исследования выполнялись
с использованием законов математики, физики, теоретической механики и
аналитической геометрии. Экспериментальные исследования проводились в
полевых условиях с использованием общепринятых методик в соответствии с
действующими ГОСТами, а также с использованием планирования многофакторных экспериментов. Обработка экспериментальных данных проводилась с
использованием методов математической статистики, программ Microsoft
Excel 2013 и «STATISTICA 10».
Положения, выносимые на защиту:
- уточненная классификация рабочих органов, используемых при
очистке сахарной свеклы по новым классификационным признакам – по способу очистки рабочих органов и по способу воздействия;
- конструктивно-технологическая схема устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей при повышенной влажности;
- теоретические зависимости определения конструктивно-технологических и режимных параметров разработанного устройства для удаления налипшей почвы с приводных цилиндрических щеток;
- математическая модель определения степени очистки корнеплодов от
конструктивно-режимных параметров очищающего устройства;
- результаты экспериментальных исследований липкости и влажности
почвы, скорости удара, расстоянию до места удара по ворсине, диаметра проволоки пружины;
- технико-экономическая эффективность использования разработанного
устройства для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя.
9
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена многолетним периодом исследований,
статистической обработкой экспериментальных данных методами дисперсионного и корреляционного анализов.
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку
на Научно-практической конференции «Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области» (Мичуринск, 2004); Международной научно-практической конференции «Вклад молодых учёных в
развитие аграрной науки XXI века» (Рязань, 2004); Научно-практической конференции, посвящённой 55-летию инженерного факультета (Рязань, 2004);
XIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельско-хозяйственной
продукции»//«Новые технологии и техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в с.-х. производстве» (Тамбов, 2005); XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности
использования ресурсов при производстве сельско-хозяйственной продукции»//« Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства»
(Тамбов, 2011); 62-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (Мичуринск-наукоград, 2010); Международной научнопрактической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск-наукоград, 2014).
Материалы настоящих исследований используются в учебном процессе
Мичуринского государственного аграрного университета.
По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том
числе 3 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составляет 8,07 печ. л., из которых 4,57 печ. л. принадлежат лично автору.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 149 страниц, из которых
на 123 страницах изложен текст работы. Список литературы включает 141
10
наименование, в том числе 11 источников - на иностранных языках. Работа
иллюстрирована 9 таблицами и 76 рисунками.
11
1
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Краткий анализ условий уборки сахарной свёклы. Агротехнические требования
Уборка сахарной свёклы является особенно энерго- и трудоемкой операцией [39]. Поэтому её совершенствование – важная задача, имеющая
народно-хозяйственное значение.
Уборочные комплексы [40], разработанные ранее и основанные на применении самоходных машин БМ-6, КС-6Б, РКС-6, тракторов МТЗ-80, МТЗ-82,
Т-70С, позволяли механизировать процесс уборки сахарной свеклы. Но по качественным и эксплуатационно-технологическим показателям работы применяемые машины не соответствуют современным агротехническим требованиям, особенно в условиях повышенной влажности почвы (25 - 29%) [41], [42].
Использование в уборке зарубежных комбайнов и машин таких производителей, как Agrifac, Franz Kleine, Ropa, MAXTRON и др. [43], [44], [45],
[46], [47], [48], [42], [49], [50], [51], [52] позволяет добиться неплохих результатов при работе на любых почвах, однако это не решает проблем, связанных
с загрязнением рабочих органов, и как правило, снижением качества очистки,
кроме того, при использовании роторных очистителей, происходит значительное повреждение корнеплодов [17], [41], [43], [53].
С повышением влажности увеличивается налипание почвы на рабочие
поверхности выкапывающих органов и очистителя вороха, снижая их сепарирующую способность, что приводит к потерям корнеплодов на поверхности
поля [5], [17], [21].
По мнению С.А. Найданова, И.А. Дробышева, больше всего свободной
почвы в ворохе при пониженной влажности (15 – 19%) [21], [17]. Они отмечают, что все слои почвы в этом случае состоят преимущественно из больших
12
комьев, которые в большинстве своем не могут разрушить выкапывающие органы корнеуборочных машин. Вместе с корнеплодами машины поднимают их
из верхних слоев рядка с глубины хода копачей и передают на очистители вороха, где они также не разрушаются и попадают в кагат.
С увеличением влажности почвы до 19 - 25% крупные комья под воздействием выкапывающих органов распадаются на мелкие составляющие [21],
[41]. Почва хорошо рыхлится и не налипает на корнеплоды, рабочие поверхности выкапывающих органов и очистителей вороха, хорошо сепарируется
ими, поэтому содержание свободной почвы в ворохе минимально.
Повышение влажности сверх 25% приводит к противоположному эффекту [54], сильному налипанию ее на корнеплоды и рабочие поверхности машины, что увеличивает содержание почвы в ворохе пропорционально повышению влажности [17].
При пониженной влажности почва не прилипает к корнеплодам, поэтому содержание ее на них минимально.
Качественные показатели работы свеклоуборочных машин должны отвечать определённым агротехническим требованиям [55], [56], [57], [58].
Плоскость среза головки корнеплодов должна проходить не ниже зоны
прикрепления черешка зеленого листа и не выше 2 см от верхушки головки,
поверхность среза прямая, гладкая, без сколов; отходы сахароносной массы в
срезанных головках не должны превышать 3,7 %, потери ботвы—10...20 %,
загрязненность ботвы землей — 0,5... 1,0 %; количество корнеплодов с низким
и косым срезом — 10...15 %, высоко обрезанных и с необрезанной ботвой —
до 5 %; наличие зеленой массы в ворохе корнеплодов — до 3%; механически
поврежденных корнеплодов — не более 20 %, в том числе сильно — 5 %; количество неподкопанных и оставшихся в почве корнеплодов не должно превышать 1 %, утерянных на ее поверхности — 5 %.
При этом свеклоуборочная машина должна [5], [17], [41], [53], [55], [57],
[59], [60]:
1 - не допускать общие повреждения корнеплодов – свыше 20,0%, в т. ч.
13
сильные - свыше 5,0%;
2 - не допускать загрязненность убранного вороха свыше 10,0%, в т. ч.
зеленой массой – свыше 3,0%,
Свеклоуборочные машины обязаны обеспечить качественную уборку
ботвы [61] и корнеплодов сахарной свёклы на скоростях до 9 км/час [55], [56],
[57], [58].
В условиях Центрального Черноземья РФ [62], когда период увеличения
массы корнеплодов и сахаристости совпадает с периодом времени сильной переувлажненности почвы (около 30%), добиться качественной очистки корнеплодов сахарной свеклы при уборке, невозможно [63].
Немаловажным фактором, влияющим на степень очистки являются
также физико-механические свойства почвы, к которым относятся: пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при
обработке [64].
Почвы Центрального Черноземья РФ в большинстве районов представлены в основном выщелоченными и слабовыщелоченными черноземами, которые имеют следующие свойства: липкость – 0,13…4,80 г/см2, твердость –
2,5…9,8кг/см2 [62], [65]. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния удельное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2. Наименьшим
удельным сопротивлением характеризуются не насыщенные основаниями
почвы легкого механического состава (супесчаные и песчаные), самым высоким – тяжелосуглинистые и глинистые почвы солонцового типа, содержащие
свыше 20-30% натрия от емкости поглощения. Черноземы имеют удельное сопротивление от 0,40 до 0,82кг/см2 [65].
Существенное влияние на удельное сопротивление оказывают влажность почвы [66] и её засоренность (особенно корневищными сорняками) [65].
14
1.2 Способы и технологии уборки сахарной свёклы
Существуют три способа уборки сахарной свеклы (рисунок 1.1) [55],
[60], [67]:
- комбайновый, при котором за один проход машины (комбайна) обеспечивается механизированное выполнение всех операций по уборке ботвы и
корнеплодов;
- раздельный, когда ботву убирают ботвоуборочными, а корни — корнеуборочными машинами (двухфазная уборка);
- полумеханизированный способ уборки, при котором ботву скашивают
косилками и доставляют ее к месту назначения, а корнеплоды убирают переоборудованными картофелекопателями, которые выкапывают их, очищают от
почвы и укладывают на поле в продольные валки. Для выкопки корнеплодов
могут использоваться и свеклоподъемники.
Перед уборкой целесообразно провести предуборочное рыхление междурядий 6-рядным культиватором с долотообразными лапами [57].
Рисунок 1.1 - Классификация способов уборки сахарной свёклы
С технологической точки зрения различают три основных способа
уборки сахарной свеклы (рисунок 1.2) [56], [68]:
15
- трехфазный, при котором специализированные машины по отдельности удаляют ботву, выкапывают корнеплоды и загружают их в транспортные
средства;
- двухфазный, при котором возможны два варианта: 1. Первым проходом
агрегата удаляют ботву, а вторым – выкапывают и загружают корнеплоды в
бункер накопитель или транспортное средство; 2. Первым проходом агрегата
удаляют ботву, а вторым проходом – загружают корнеплоды в бункер-накопитель или транспортное средство;
- однофазный, при котором три технологические операции (удаление
ботвы, выкапывание корнеплодов и погрузка их в транспортное средство) выполняются одним самоходным комбайном либо прицепным или навесным машинно-транспортным агрегатом.
Основное достоинство двухфазного способа состоит в том, что процесс
выкапывания корнеплодов не зависит от их транспортировки, поэтому последняя не влияет на производительность уборочного агрегата.
Рисунок 1.2 - Технологии уборки сахарной свёклы
При однофазном способе уборки совмещения технологических операций позволяют высвободить один или два трактора и сократить численность
обслуживающего персонала. При применении данного способа, структура
16
почвы нарушается меньше, чем при многофазной. Недостатками однофазной
уборки являются высокая стоимость самоходных комбайнов и зависимость их
производительности от перебоев с транспортировкой сахарной свеклы.
Механизированная уборка сахарной свеклы (рисунок 1.3) осуществляется по поточной, перевалочной и поточно-перевалочной технологии. Выбор
той или иной технологической схемы уборки зависит от условий уборки и перевозки урожая, производительности и качества работы свеклоуборочных
комбайнов, типа и количества транспортных средств, занятых на перевозке
корнеплодов [2], [56].
Рисунок 1.3 - Технологические схемы уборки сахарной свёклы
При достаточном количестве транспорта и небольшом расстоянии до
приемного пункта (до 15 км) корни убираются в основном поточным способом. При этом комбайн извлекает корнеплоды из земли и погружает их в
транспортное средство для отправки непосредственно на завод. Однако поточный способ имеет ряд недостатков: время работы транспортных средств ограничено продолжительностью работы комбайнов, наблюдается значительный
износ автомобилей, движущихся во время погрузки по взрыхленной почве на
малой скорости и т. д [2], [56].
При недостатке транспорта, а также некачественной очистке корнеплодов свеклоуборочными машинами имеет преимущество перевалочный способ
уборки, при котором свеклу от комбайна тракторными самосвальными прицепами или автомобилями вывозят на край или середину поля во временные кагаты, образуя технологический запас, не превышающий суточного количества
выкопанных корней. Из кагатов в день уборки свеклу грузят в автомобили по-
17
грузчиками для отправки на свеклоприемные пункты. Перевалочным способом обычно убирают свеклу при радиусе доставки более 20 км, а также в условиях повышенной влажности почвы - (24...26 %). При уборке этим способом
производительность комбайна не зависит от количества транспорта, что снижает их простои. К недостаткам перевалочного способа уборки свеклы следует
отнести высокие дополнительные затраты на погрузку сырья и повреждаемость при этом корней [2], [56].
Поточно-перевалочный способ уборки совмещает поточную и перевалочную схемы. В зависимости от наличия транспортных средств урожай от
комбайна отвозят на приемный пункт или выгружают во временные полевые
кагаты. Сочетание поточного и перевалочного способов уборки определяют
таким образом, чтобы простои всех машин, участвующих в процессе уборки и
вывозки, были минимальными. Если приемный пункт расположен на расстоянии 16...20 км от поля, то уборку выполняют поточным способом в пределах
50...70 %, при дальних расстояниях — до 30 %. При перевалочном способе
уборки основной объем продукции автомобили доставляют на сахарный завод
ночью [56].
1.3 Анализ средств механизации для уборки сахарной свеклы
Качество работы свеклоуборочных комбайнов оценивают по основным
показателям: потерям и повреждениям корнеплодов, загрязненности вороха
корнеплодов почвой [63], [66], [69].
В настоящее время развитие очистных устройств свеклоуборочных машин происходит по следующим направлениям [70]:
- установка роторных очистителей (от 2 до 8 и больше);
- установка шнековых очистителей (от 4 до 14 и больше);
- комбинирование органов очистки, например, кулачковый – шнековый
– прутковый, или роторный – прутковый, или роторный – шнековый и др.;
18
- модернизация существующих рабочих органов очистки и внедрение
новых, например, щеточных (Патент 2144759 МКИ 7 А 01 D 91/02 [25], Патент
2154931 МКИ 7 А 01 D 17/04, Патент 2144288 МКИ 7 А 01 D 27/04 и др.),
ячеистых сепараторов (А.с. 1613029 СССР МКИ А 01 D 33/08, А.с. 1435186
СССР МКИ А 01 D 33/08, А.с. 1470223 СССР МКИ А 01 D 33/08 и др.).
Технику для уборки сахарной свеклы (рисунок 1.4) можно разделить на
[4]:
- ботвоудалители (БУН-4/6, УБС-6А, ОГД-6М, БР-6, СК-6, АБ-1, МБШ6, КИБ-1,5, БМ-6Б, ОГД-6А, МБП-6, МБК-2,7, МГ-6, KR-6II, Stoll MRB-6, Mb6D);
- свеклоуборочные комбайны (КС-6Б, «Ритм-Matrot», комбайны модели
SF, Terra Dos, Euro Tigger, Big Six, WKM-9000, ZA 215 EN, ZA-215-12, M-41,
B/6 4x4 S, «LECTRA V2», «MAXTRON 620», КСП-6, МКП-6, КСП-2, КСН-6,
«Stoll MRL 6/45», «Stoll V202»);
- копатели-валкоукладчики (АС-1, ВУН-4/6, КВС-6, КСН-6-2М «Полесье», РКМ-6, МКП-6, КВЦБ-1,2, МКК-6-02, МКР-2-3, КПС-6, Mb-6 S, B/6-S,
B/6-C-45, B/6-C-50);
- подборщики-погрузчики (ПКП-0,8, ПС-1, ПС-2, ПС-13, ППК-6, MIS-6,
ПНБВ-1,6, СПС-4,2 А, «Euro Maus», RL-200 SF, «Trainet», RT-310, «Big Car»,
B/CS 8000, B/AC-120).
Рисунок 1.4 – Средства механизации для уборки сахарной свёклы
19
В самоходной корнеуборочной машине РКС-6 имеется шнековый очиститель. Лопастные битеры выталкивают корнеплоды на лопастной очиститель (битерные валы), откуда они перемещаются на шнековый очиститель. Он
очищают ворох от растительных примесей, смещает свеклу к середине машины и сбрасывают на продольный транспортер.
Комбайн свеклоуборочный теребильного типа КСТ-3А (выпускался до
1979г.) также имеет шнековый очиститель, который доочищает корнеплоды от
земли и растительных остатков. Он содержит три вала с винтовой навивкой и
приводной редуктор. Все три шнека имеют различный шаг навивки и разную
частоту вращения. Такая схема устройства обеспечивает вращательное движение корнеплодов с проскальзыванием по виткам шнеков и более лучшую их
очистку.
Корнеуборочная самоходная машина КС-6 имеет шнековый очиститель
(рисунок 1.5), который состоит из четырех шнековых барабанов и двух вальцов.
Рисунок 1.5 – Общий вид и схема рабочего процесса корнеуборочной машины КС-6Б
Шнековые барабаны и вальцы совершают вращение в одном направлении – против хода движения комбайна. Вальцы совершают перемещение относительно шнеков по высоте путем перестановки их подшипников по дополнительным отверстиям. Более высокое расположение вальцов способствует
задержке корней на очистителе и лучшей очистки их от примесей. Это приме-
20
няют при крупных корнеплодах и влажной почве. Комкодробитель (расположенный под ленточным транспортером) содержит три вала с трехлучевыми
кулачками и один приводной вал с круглыми дисками. Комкодробящие валы
совершают вращение с одинаковой частотой.
В свеклопогрузчике-очистителе СПС-4,2 (рисунок 1.6), при его движении вдоль кагата, кулачки питателя подбирают корнеплоды и направляют их
на битерный вал, который швыряет свеклу на приемные шнеки. Левые и правые и части шнеков имеют противоположную ленточную навивку, поэтому
они сужают поток массы и при помощи битера направляют его на продольный
транспортер. Ворох корнеплодов на пути от кулачков питателя до поступления
на продольный транспортер частично очищается от почвы, растительных примесей, оставшейся ботвы. Полностью очистку завершает двухсекционное очистительное устройство, которое состоит из рассредоточителя и шнекового
очистителя.
Рисунок 1.6 – Схема рабочего процесса свеклопогрузчика-очистителя СПС4,2
Рассредоточитель состоит из трех шнеков и перебрасывающего битера.
Шнековые валы, которые снабжены спиральной ленточной навивкой, смещают корнеплоды в продольном и поперечном направлениях, рассредотачивают их, что улучшает степень их очистки.
Шнековый очиститель состоит из двух одинаковых сборочных единиц,
21
четыре вальца каждого из них попарно вращаются навстречу один другому.
Свекла совершает перемещение по образовавшемуся рабочему ручью, ленты
навивки шнеков очищают корнеплоды от оставшихся примесей.
Самоходный свеклопогрузчик-очиститель СПС-4,3А – модернизация
СПС-4,3, в котором улучшена очистка и уменьшены повреждения корнеплодов благодаря изменению конструкции шнекового очистителя и выгрузного
устройства погрузочного элеватора.
Свеклопогрузчик-очиститель
СПО-4,2
также
имеет
шнековые
очищающие вальцы и выгрузной прутковый транспортёр (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 - Свеклопогрузчик-очиститель СПО-4,2
В комбайнах «Agrifac WKM-9000» (используются в России с 2001г.)
виброкопачи выдавливают корни из почвы и подают на два прутковых сепарирующих ротора. Дальнейшая очистка вороха от примесей производится на
последовательно расположенных трех роторах аналогичной конструкции. В
других моделях комбайнов «Agrifac WKM» количество сепарирующих звезд
меняется от 5 до 8 (рисунок 1.8).
22
Рисунок 1.8 – Общий вид и схема очистительного участка комбайна "Agrifac
WKM HEXA"
Свеклоуборочный комбайн КСН-6 (комплекс «Полесье») имеет очищающий вал с шарнирно подвешенными очищающими бичами из резины или
обрезиненной тканью, и многовальцевый вал укладчик-сепаратор (рисунок
1.9).
Рисунок 1.9 - Свеклоуборочный комбайн КСН-6 "Полесье"
Основные технологические органы подборщика-погрузчика ППК-6
(«Полесье») (рисунок 1.10) – пластинчатые транспортеры на зубчатых ремнях.
Три подбирающих транспортера осуществляют подъем вороха из валка, предварительную сепарацию и подачу его в очищающий ротор, где происходит
очистка от земли и растительных остатков.
23
Рисунок 1.10 – Подборщик-погрузчик ППК-6
Копатель-валкообразователь «Борэкс-БЗК-01» имеет шнековый очиститель с маятниковой системой подвески. Его положение регулируется винтовыми механизмами и телескопическими валами.
Подборщик-погрузчик валка корнеплодов «Борэкс-БЗК-02» имеет ротор, при вращении которого корнеплоды, за счет центробежных сил смещаются к периферии сепарирующего устройства, и взаимодействуют с прутками
ограждения ротора, отделяя тем самым почву и ботву. Поток корнеплодов отсекателем направляется на погрузочный транспортер.
В комбайне Agrifac 400 T реализована многоступенчатая очистка на роторных очистителях с последующей укладкой в бункер (рисунок 1.11).
Рисунок 1.11 - Комбайн Agrifac 400 T
24
В самоходном погрузчике-очистителе RL 200 SF «MAUS» («Franz
Kleine») свекла подбирается и очищается сначала пальчиковыми приемными
вальцами и передается далее на транспортировочные вальцы (рисунок 1.12).
Рисунок 1.12 - Самоходный свеклопогрузочно-очистительный комбайн
"MAUS" RL 200 SF "Franz Kleine"
Известны также копатель R-6 (рисунок 1.13), погрузчик L-6 (рисунок
1.14), комбайн KR-6II (рисунок 1.15), производимые немецкой фирмой «Franz
Kleine». Казанский ОКБ «Союз» производит комбайны КВС-6 подобные KR6II, имеющие шнековые и роторные очистители.
Рисунок 1.13 – Копатель R-6 "Franz Kleine"
25
Рисунок 1.14 – Погрузчик L-6 "Franz Kleine"
Рисунок 1.15 – Общий вид и схема очистительного участка комбайна KR-6II
"Franz Kleine"
В комбайнах «Franz Kleine» SF-10 и SF-20 (рисунок 1.16 рисунок 1.17)
реализована также система многоступенчатой очистки корнеплодов различными рабочими органами.
Рисунок 1.16 - Комбайн свеклоуборочный SF-10 "Franz Kleine"
26
Рисунок 1.17 - Комбайн свеклоуборочный SF-20 "Franz Kleine"
Рисунок 1.18 - Подборщик-погрузчик свёклы из валка L-10 "Franz Kleine"
Рисунок 1.19 - Подборщик-погрузчик свеклы из валка LS-10 "Franz Kleine"
27
Шестирядная самоходная машина МКК-6-02 является улучшенной конструкцией РКС-6.
Корнеуборочная машина РКМ-6-01 обеспечивает более качественную
очистку корнеплодов за счет того, что на гладких вальцах установлены винтовые спирали, а четырех лопастные битеры (как у РКС-6) заменены консольными шнековыми вальцами.
Корнеуборочная машина РКМ-6-05 (рисунок 1.20) отличается от предыдущей тем, что она укомплектована двумя приемными кулачково-битерными
транспортерами-очистителями.
Рисунок 1.20 - Корнеуборочная машина РКМ-6-05
Днепропетровским комбайновым заводом выпущена новая машина
РКМ-6-07 (рисунок 1.21) с улучшенными эргономическими показателями и
практически не изменёнными рабочими органами.
Рисунок 1.21 - Корнеуборочная машина РКМ-6-07
28
Азовский оптико-механический завод выпускает навесной шестирядный копатель АС-1 (рисунок 1.22) и подборщик-погрузчик ПС-1 (рисунок
1.23) (аналог машин французской фирмы «Жан Моро»). Копатель АС-1 имеет
ротор, в ограждении которого вместо прутьев применены пружины, позволяющие исключить забивание растительностью и почвой.
Рисунок 1.22 - Копатель-валкоукладчик АС-1
Рисунок 1.23 - Свеклоподборщик прицепной ПС-1
Рисунок 1.24 - Навесной копатель-валкоукладчик КСВ-6А
29
Рисунок 1.25 - Машина полуприцепная корнеуборочная Ритм КПС - 6
Рисунок 1.26 - Подборщик-погрузчик ППС-6
Прицепной свеклоуборочный шестирядный комбайн WIC имеет цепочный транспортер (рисунок 1.27), общая площадь которого около четырех квадратных метров, что позволяет полностью очистить корнеплоды от почвы. Регулировка захватных роликов позволяет при влажной почве задерживать
30
свеклу на транспортере дольше для ее лучшей очистки, а при сухой почве наоборот.
Рисунок 1.27– Свеклоуборочный комбайн WIC «Amity Technology»
Прицепную корнеуборочную машину МКП-6 (рисунок 1.28), выпускаемую ОАО «Тернопольский комбайновый завод» отличает наличие щёточного
рабочего органа – щетки 3, которая воздействуя на ворох, расслаивает его и
помогает вальцам восходящей части очистителя перемещать корнеплоды
вверх.
1 — дисковые копачи; 2 — вальцовый очиститель; 3 — щетка; 4 — шнек;
5 — выгрузной транспортер; 6 — гаситель скорости корнеплодов
Рисунок 1.28 – Общий вид и схема рабочего процесса корнеуборочной машины МКП-6
Машина МКП-6 содержит дисковые копачи 1, вальцовый очиститель 2
с щеткой 3 и выгрузной транспортер 5. Устройство для очистки имеет S-
31
образный профиль. Вальцами образована восходящая часть S-образной поверхности. Они (вальцы) вращаются в одну сторону, а впадина составлена парами вальцов, которые вращаются во встречном направлении. Поперечный
шнек 4 большого диаметра размещен во впадине. Наружная кромка его витков
шнека - обрезинена с предотвращения травмирования свеклы.
Вращающаяся щетка 3, имеющая ширину равную ширине вальцов очистительного устройства, совершает вращение в сторону подачи вороха корнеплодов. Выгрузной транспортер 5 оснащен гасителем скорости корнеплодов,
и представляет собой кожух, который охватывает верхний конец выгрузного
транспортера таким образом, что они покидают его на нижней ветви. А затем
с помощью направленного ската (имеющего практически нулевую начальную
скорость) падают в кузов транспортного средства.
При помощи автомата вождения, дисковые копачи 1, заглубленные в
почву на 8...10 см, совершают движение по оси рядков и извлекают корнеплоды в результате вращения дисков. При воздействии битеров, корнеплоды
попадают на восходящую часть вальцового очистителя 2, где они захватываются вращающимися вальцами. Цилиндрическая щетка 3, при этом воздействует на ворох, расслаивает его и помогает вальцам восходящей части очистителя совершать перемещение корнеплодов вверх.
Интенсивное просеивание примесей сквозь зазоры в вальцах, происходит на вальцовом очистителе 2. При этом шнек 4 перемещает корнеплоды в
поперечном направлении, в результате чего обеспечивается их хороший контакт с вальцами и, как следствие, более лучшая очистка. Окончательная сепарация примесей происходит на прутковой поверхности выгрузного транспортера 5.
Исследованием и разработкой технических устройств занимались в Мичуринском государственном аграрном университете, совместно с учёными
Национального аграрного университета (Украина). Разработанный сотрудниками способ транспортировки и очистки корнеплодов свёклы (Патент №
2144759) [25] имеет выкапывающие рабочие органы 1 (рисунок 1.29) дискового
32
типа, в растворе дисков, сверху установлены битеры 2, за которыми расположены ориентиры корнеплодов 3, которые обеспечивают расположение корнеплодов продольно и головкой вперед сразу же после их извлечения из почвы.
Далее установлен транспортирующий корнеплоды элемент 4, в виде лотков, которые отходят от выкапывающего рабочего органа 1, при индивидуальной
транспортировки корнеплодов на каждом рядке. Транспортирующий элемент 4
переходит в очиститель 5 корнеплодов дугообразной формы. Над очистителем 5
корнеплодов располагаются приводные цилиндрические щетки 6 с эластичным
ворсом различной длины (увеличивающейся в сторону выпуклости очистителя). К очистителю 5 корнеплодов примыкает выгрузной транспортер 7, также
состоящий из лотков, который значительно наклонен вверх, для поднятия корнеплодов на необходимую высоту погрузки.
Рисунок 1.29 – Общий вид и схема рабочего процесса (Патент № 2144759)
В работе, устройство движется по рядкам корнеплодов 8, а его выкапывающие рабочие органы 1 извлекают их из почвы. При этом битер 2, выталкивая корнеплоды из раствора выкапывающих дисков 1 в сочетании с ориентирами 3, ориентирует корнеплоды в продольном направлении головками вперед.
33
Далее они попадают в лотки очистителя 6 дугообразной формы. Оставшаяся на
головках корнеплода связанная ботва захватывается парами встречновращающихся валиков очистителя 5 и отминается, однако корнеплоды свеклы не поворачиваются благодаря прижимам цилиндрических щеток 6, эластичный ворс которых окончательно очищают боковые поверхности корнеплодов от налипшей
почвы. Пройдя очиститель 5, корнеплоды попадают в лотки выгрузного транспортера 7, который их очищает от примесей и выгружает из устройства [25].
Недостатками такого способа является снижение качества очистки корнеплодов вследствие забивки ворса щёток влажной почвой через определённый период работы.
Следующий способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов (Патент № 2297753) [28] содержит устройство (рисунок 1.30), в котором имеется
транспортер 1, устройство для потряхивания вороха 2, установленное на опорах 3, выполненными упругими, и связанного кинематически с механизмом 4
при совершении им колебательных направленных движений. Боковая нижняя
часть устройство для потряхивания вороха 2 выполнена конструктивно в виде
пар встречновращающихся щеток 5, состоящих из пучков эластичных ворсин.
Снизу, напротив щеток 5 расположена вибрационная решетчатая наклонная
доска 6, которая опирается на две упругие опоры 7 и связана кинематически с
вибрационным приводом 8, что способствует возникновению для вибрационной решетчатой наклонной доски 6 вибрационных колебаний. Под нижний конец вибрационной решетчатой наклонной доски 6 сбоку установлена очистительная пальчатая горка 9 так, что между поверхностью вибрационной решетчатой наклонной доски 6 и концом очистительной пальчатой горки 9 есть зазор
h. В нижней части, под решетчатой наклонной доской 6 и нижним концом очистительной пальчатой горки 9 установлен транспортер прутковый 10. Направления колебательных движений устройства для потряхивания вороха 2 и вибрационных движений вибрационной решетчатой наклонной доски 6 показаны
стрелками.
34
Рисунок 1.30 – Общий вид и схема рабочего процесса (Патент № 2297753)
Во время работы подающий транспортер 1 направляет ворох корнеплодов
внутрь устройства 2. При этом он попадает в середину устройства 2 на поверхность, которая образованную парами щеток 5 с ворсом. При работе вибрационного механизма 4 устройство 2, совершает колебательные движения на опорах
3 и направляет рассредоточенный ворох корнеплодов на вибрационную решетчатую наклонную доску 6. Небольшие почвенные примеси, при ударе о вибрационную решетчатую наклонную доску 6, проходят сквозь ее поверхность и
тут же удаляются из очистительной зоны. Так как вибрационная решетчатая
наклонная доска 6 вибрирует на опорах 7 посредством привода 8, совершающего вибрации, то корнеплоды после ударов, под действием вибрации, отскакивают от поверхности и попадают на полотно очистительной пальчатой горки
9. Растительные остатки, камни и прочные почвенные примеси, вследствие небольшой собственной упругости не отскакивают от поверхности вибрационной решетчатой наклонной доски 6, а скатываются вниз и сквозь зазор h попа-
35
дая на полотно транспортёра пруткового 10. Корнеплоды перемещаются по поверхности очистительной пальчатой горки 9 вниз, а почвенные растительные
остатки, поднимаются вверх сквозь указанный зазор h, попадая на транспортер
прутковый 10, который удаляет примеси из зоны очистки.
Однако и этот способ не решает проблему забивки рабочих органов
влажной почвой.
Известны также и другие способы и устройства [4], [24], [26], [25], [27],
[28], [29], [30], [31], [71], [72], [73], [74], [75], [3], [76], [77], [78], [79], позволяющие очищать корнеплоды сахарной свёклы с использованием щёточных очистителей, которые пытаются решить проблему очистки корнеплодов при
уборке в условиях переувлажнённых почвы. Но проблему очистки рабочих органов от влажной почвы они не решают.
1.4 Анализ способов очистки корнеплодов сахарной свеклы и очищающих рабочих органов от почвы при уборке в неблагоприятных погодных условиях
Анализ литературных источников и патентных материалов позволяет
классифицировать рабочие органы, используемые при очистке сахарной
свеклы: по характеру действия – пассивные, активные и комбинированные; по
принципу воздействия – с ориентированием и без ориентирования; по конструктивному исполнению – шнековый, щеточный, молотковый, роторный,
битерный, прутковый (транспортер) (рисунок 1.31).
Анализ использования свеклоуборочной техники показывает, что все рабочие органы забиваются влажной почвой при уборке в неблагоприятных погодных условиях, и как следствие снижается их очищающая способность [30],
[31]. Однако некоторые производители решают эту проблему, устанавливая
пассивные чистики, либо задают условие, обеспечивающее самоочистку рабо-
36
чих органов, например, шнековые вальцы, с разной навивкой вращаясь, витками частично счищают прилипшую почву друг об друга [18]. У большинства
же машин, работающих в неблагоприятных погодных условиях, приходится
их очищать в технологические перерывы вручную, скребками и др. вспомогательными средствами.
Рисунок 1.31 - Схема классификации рабочих органов для очистки корнеплодов сахарной свёклы
37
Кроме того, рассмотренные способы пассивной очистки не обеспечивают заданного качества очищения при влажности почвы до 30% [61]. Она
приобретает высокую липкость и остаётся на рабочих органах в местах, где
отсутствует контакт взаимодействия органов.
Поэтому все рассмотренные машины нуждаются в разработке активных
очищающих элементов, либо модернизации существующих.
На комбайне SF 10-2 очистной путь составляет 12 метров и включает
следующие рабочие органы:
- вальцовую группу (рисунок 1.32), состоящую из 2-х длинных и 5-ти
консольных вальцов, имеющих реверс. Скорость вращения регулируется бесступенчато.
- роторные очистители (рисунок 1.33), состоящие из 2-х малых и 3-х
больших роторов, скорость каждого из которых регулируется бесступенчато.
Специальная спиралевидная форма очистного пути позволяет максимально и одновременно бережно удалить землю с корнеплода.
В зависимости от погодных условий и уровня загрязненности механизатор может из кабины изменять обороты вальцовой группы и роторных очистителей, добиваясь высокой степени очистки в любую погоду.
Рисунок 1.32 - Шнековые вальцы комбайна SF 10-2 Franz Kleine
38
Рисунок 1.33 - Роторные очистители комбайна SF 10-2 Franz Kleine
Копатель-погрузчик (рисунок 1.34) 6-рядный оснащён выкапывающими
органами колебательного типа. Проходя через шнековый механизм, роторный
механизм и транспортёры, корнеплоды очищаются и сгружаются на рядом
идущее транспортное средство (с правой стороны).
Рисунок 1.34 - Копатель-погрузчик свеклы КНБ-6
39
Рисунок 1.35 - Шнековые вальцы комбайна Holmer 1997
Рисунок 1.36 - Прутковый транспортёр, шнековые вальцы и роторные очистители комбайна Holmer 1997
40
Рисунок 1.37 - Роторные очистители комбайна Agrifac 400T
Рисунок 1.38 - Прутковый транспортёр комбайна Agrifac 400T
41
Рисунок 1.39 - Шнековые вальцы и прутковый транспортёр копателя-погрузчика свеклы КНБ-6
1.5 Анализ использования щёточных очистителей
Очистка корнеплодов сахарной свёклы при уборке на чернозёмных почвах является одной из трудоёмких видов операций свеклоуборочной техники.
Количество примесей, приходящихся на сезон уборочных работ, может значительно увеличиваться вследствие неблагоприятных погодных условий и плохой приспособленности рабочих органов для тяжелых почв повышенной
влажности.
Наиболее перспективными являются устройства и машины, которые
снабжены щёточным рабочим органом, обеспечивающим высокую степень
копирования поверхности и очистки её, а также надёжность в работе. Они требует небольших затрат энергии, просты в изготовлении и обслуживании.
Исследованиями в этих областях науки занимались К.К. Адрианов, Г.Р.
Винтерле, А.В. Дервиш, Найданов С.А. и другие [19], [20], [21].
42
Исследования щеточных устройств проводились Г.Р. Винтерле, В.И.
Дервишем, В.А. Мухиным, М.К. Дусеновым [30], [31], и другими для очистки
корнеплодов [19], [20], [21].
Исследованиями щёточных очистителей в животноводстве занимались
Г.Л. Карабан, В.И. Баловнев, И.Л. Засов, Б.М. Долганин, О.И. Буковец, Ю.Н.
Орлов, С.И. Щербаков, Ледвянкин А.А. и другие [80].
Анализом взаимодействия ворсин с поверхностью дороги занимался
Л.М. Гусев [81].
Кроме того, щётки как технологический инструмент, применяется во
многих отраслях производства [81]. В металлообрабатывающей промышленности используются круглые щёточные диски с металлическим ворсом для обдирки отливок после литья, а также полировальные щётки для металла [80]. В
коммунальном хозяйстве используются конические лотковые и цилиндрические щётки с ворсом из капрона, металла или с комбинированным (оболочка –
полимер, сердечник - металл) ворсом. Их применяют в подметально-уборочных машинах. В полиграфической промышленности применяют смывочные
щётки для промывки шрифта. Для очистки труб: дымогарных, паровых и других - применяются щётки-ерши с различным ворсом. При переработке зерна,
используются щёточные машины, очищающие поверхность зерна, а также для
удаления оболочек зерна [80], [81]. Кроме того, различные виды щёток используется в быту. Например, полоподметальная машина ПП – 450 - предназначенна для сухой уборки полов с линолеумным или плиточным покрытием, цементных и асфальтовых полов. Машина производит качественную очистку поверхности полов и имеет хорошую производительность (950... 1100м2/ч).
Устройства, выполненные в виде щёток, получили большое применение,
также на уборке аэродромов, дорог и городских улиц. Такое широкое использование обусловлено их универсальностью работы. Они отлично удаляют
грязь, пыль, другие виды мусора. Также снежные заносы обычно удаляют с
использованием щеточного оборудования.
43
В коммунальном хозяйстве также существуют мусороуборочные машины, собирающие мусор в кузов [81]. Мусор сметается и подается к шнеку
цилиндрическими и коническими щетками.
Машины и агрегаты для уборки аэродромов, дорог, городских улиц, полов помещений и открытых площадок, выпущенные иностранными производителями, работают аналогичным образом [81]. Рабочим основным органом
таких машин, также являются щетки или щеточные устройства, обеспечивающие лучшую степень очистки с высокой производительностью при небольших
энергозатратах.
В растениеводстве, щеточные устройства также нашли свое применение
[30], [31], [35]. Щеточные цилиндрические барабаны производят очистку головок сахарной и кормовой свеклы перед ее выкапыванием из почвы. Фракционный состав в этом случае неоднороден: от комочков грязи повышенной
влажности до подсохших листьев свеклы. Вместе с тем, качество очистки удовлетворительное.
Широкое распространение в последнее время получает сухая очистка
корнеклубнеплодов [18], [21], [23], [71], [30], [31]. Рабочими органами таких
агрегатов и машин, как правило, являются устройства, выполненные в виде
щеточных валиков, которые счищают с поверхности налипшие комочки
почвы. При приготовлении кормов, также все больше расширяется использование сухой очистки поверхности корнеклубнеплодов [18], [21], [23], [71],
[30], [31].
Проведя анализ работы очищающих рабочих органов, нами было установлено, что при длительной работе машины, качество очистки корнеплодов
снижается вследствие их забивки влажной почвой. Однако некоторые производители решают эту проблему, устанавливая пассивные чистики, либо задают условие, обеспечивающее самоочистку рабочих органов, например, шнековые вальцы, с разной навивкой вращаясь, витками частично счищают прилипшую почву друг об друга [2]. У большинства же машин, работающих в неблагоприятных погодных условиях, приходится вручную, скребками и др.
44
вспомогательными средствами их очищать в технологические перерывы [2].
Кроме того, показывающие хорошие показатели работы очистки корнеплодов,
такие как, роторные очистители очень сильно повреждают или полностью обламывают хвостики корнеплодов, в которых содержится значительная часть
сахарной массы, что в свою очередь сказывается на выходе сахара [69], [82].
Также, у таких корнеплодов снижен срок хранения перед переработкой [2].
Таким образом, применение щеточных устройств велико и разнообразно. Большое распространение устройств щеточного типа получено ввиду
их высоких показателей качества, простоты и надежности в работе, универсальности применения. Однако в растениеводстве столь широкое распространение данного вида устройств (в виде щетки) пока не получили, вместе с тем
их перспективное использование в отрасли сельского хозяйства очевидно.
В настоящее время существует большое количество свеклоуборочных
машин, производимых множеством фирм во всем мире, для работы в нормальных погодных условиях. Эти машины позволяют полностью механизировать
процесс уборки корнеплодов сахарной свеклы, с достижением высокого качества очистки. Однако существует небольшое количество машин, пригодных
для работы в неблагоприятных погодных условиях (влажность почвы 25 29%) Центрального Черноземья РФ [70]. Так как большинство рабочих органов машин не позволяет добиться желаемого качества очистки от влажной
почвы и растительных примесей [61], [66], поэтому совершенствование механизации очистки свеклы и повышение её качества является перспективным и
актуальным направлением в развитии свеклоуборочной техники, работающей
в неблагоприятных погодных условиях [70].
Из проведённого анализа разработанной классификации устройств для
очистки корнеплодов видно, что щёточные очистители используются очень
редко.
Установлено, что применение щеточных очистителей является перспективным направлением при очистке различных поверхностей. Однако при их
использовании, проанализировав вышеуказанные труды, качество очистки
45
ухудшается по причине забивки ворса щетки очищаемыми фракциями [68].
Поэтому требуется применять средства, позволяющие им оставаться постоянно эффективными.
Чтобы добиться высокого качества очистки свекла должна пройти максимальный путь от извлечения из почвы до погрузки в транспортное средство.
Немаловажным фактором является повреждаемость корнеплодов, что приводит к потерям массы, и негативно сказывается на выходе сахара. «Щадящая»
очистка корнеплодов способствует снижению их повреждаемости [30].
Следует отметить, что наиболее интересным представляется рабочий
орган, выполненный как щеточный очиститель.
Повышение влажности почвы сверх 25% приводит к сильному налипанию ее на корнеплоды и рабочие поверхности машины [17], что увеличивает
содержание почвы в ворохе пропорционально повышению влажности. При пониженной влажности почва не прилипает к корнеплодам, поэтому содержание
ее на них минимально.
1.6 Выводы по разделу
1.Проведённый обзор и анализ средств механизации показал, что наиболее работоспособными рабочими органами при уборке сахарной свеклы в
сложных погодных условиях (при повышенной влажности) являются шнековые и щеточные очистители. Однако, применение шнековых, из-за чрезмерного контакта с ними, травмирует корнеплоды в отличие от щёточных очищающих органов.
2.Основным недостатком рассмотренных рабочих органов является их
засорение влажной почвой, снижая тем самым качество очистки корнеплодов
и повышая вынос плодородного слоя почвы и гумуса. Кроме того, в некоторых
случаях, требуется остановка транспортного средства для очистки рабочих органов от прилипшей почвы.
46
3.Установлено, что применение щеточных очистителей является перспективным направлением при очистке различных поверхностей. Однако при
их использовании, качество очистки ухудшается по причине забивки ворса
щетки очищаемыми фракциями. Поэтому требуется применять дополнительные устройства, позволяющие оставаться им очищенными.
Цель исследований - повышение качества очистки корнеплодов сахарной свеклы щеточным очистителем путем разработки устройства для удаления
с него налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности.
Поставленная цель предусматривает решение следующих задач исследований:
1. Провести анализ существующих очистительных рабочих органов, выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных очистителей в период уборки при повышенной влажности.
2. Теоретически исследовать процессы налипания почвы на щеточные
органы уборочных машин и разработать устройство для удаления налипшей
почвы с них при уборке в неблагоприятных погодных условиях.
3. Экспериментально исследовать влияние конструктивно-режимных
параметров рабочих органов для удаления налипшей почвы со щеточных барабанных очистителей и определить их оптимальные значения.
4. Провести производственную проверку экспериментальной установки
для удаления налипшей почвы со щёточного очистителя и определить технико-экономическую эффективность её использования.
47
2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ
ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ
УДАЛЕНИЯ НАЛИПШЕЙ ПОЧВЫ СО ЩЕТОЧНОГО
ОЧИСТИТЕЛЯ
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы очистителя
корнеплодов свеклы от загрязнений
Подробный анализ существующего многообразия рабочих органов
свеклоуборочных машин и агрегатов показал, что современным возросшим требованиям к качеству и технико-экономическим требованиям наиболее близко
соответствуют комбинированные (состоящие из нескольких устройств) или щеточные очистители, которые являются, на наш взгляд, наиболее перспективными рабочими органами.
Основным требованием является достижение требуемого качества
очистки корнеплодов.
Относительным показателем качества, является загрязненность корнеплодов, которая определяется по формуле [83], [84]:
З=
𝑚загр −𝑚очищ
𝑚загр
∙ 100%,
(2.1)
где 𝑚загр – масса пробы до очистки корнеплодов, кг; 𝑚очищ – масса пробы после
очистки корнеплодов, кг.
Из формулы (2.1) следует, что для снижения загрязненности корнеплода,
необходимо снижение его остаточной массы после очистки.
В существующих свеклоуборочных машинах корнеплоды извлекаются из
рядка, затем попадают на транспортёр (шнековый, прутковый или роторный
очиститель). Далее процесс отделения примесей от корнеплодов производится
в ворохе, что зачастую приводит к плохой очистке и повреждениям [1], [5], [21],
[59], [83], [85].
Наиболее приспособленным рабочим органом для очистки отдельного
корнеплода (не в общем ворохе) являются щёточные очистители, выполненные
48
в виде щёток или щёточных барабанов, которые хорошо копируют обрабатываемую поверхность. Применение щёточных очистителей также оправдано в
связи с особенностями наружной поверхности, которая имеет мелкие глубокие
бороздки, в отличие от корнеплодов кормовой свёклы, моркови, картофеля [21].
Анализ работы щёточных очистителей рассмотрен в работах Найданова
С.А. [21], [22], [23], Мухина В.А., Дусенова М.К. [30], [31] и других [18], [20],
[33].
Исследования Найданова С.А. [21] проводились при влажности почвы от
14 до 17,4%, не учитывая её вид почвы и не рассмотрены условия влажности
почвы более 17,4% при которых происходит интенсивное загрязнение щеточного очистителя, т.е. залипание рабочих органов и как следствие снижение очищающей способности.
В работах Мухина В.А. и Дусенова М.К. [30], [31] для сухой очистки используется устройство для очистки корнеплодов, включающего в себя горизонтальный диск с криволинейными крыльчатками и расположенные над ним роторные щетки, однако не предусмотрена их очистка.
Для достижения требуемой степени очистки, необходимо обеспечить качественное копирование поверхности корнеплода рабочим органом, а также его
способность к самоочистке.
В соответствии с вышеизложенным, нами разработан очиститель корнеплодов от почвенных примесей, работа которого удовлетворяет агротехническим требованиям (рисунок 2.1). Он может успешно использоваться на различных свеклоуборочных комбайнах и машинах, а также на свеклоприемных пунктах и свеклоперерабатывающих предприятиях.
В основу принципиальной конструктивно-технологической схемы очистителя положены следующие технические решения:
- рабочим органом является цилиндрический щеточный барабан с капроновыми ворсинами, обеспечивающими высокую степень очистки и копирования поверхности корнеплода;
- ворсины собраны в пучки и закреплены параллельными рядами по образующим цилиндра для лучшего обеспечения самоочистки щётки от загрязнений;
49
- подающий роликовый транспортер;
- щёточные барабаны расположены под прямым углом к направлению
движения роликового транспортера;
- щёточные барабаны, роликовый транспортёр, электрические приводы –
смонтированы на раме;
- привод рабочих органов и транспортёра осуществляется от электродвигателей, посредством клиноремённых и цепных передач.
1 – элемент транспортирующий; 2 – приводная цилиндрическая щётка; 3 – витая цилиндрическая пружина растяжения; 4 – кривошипно-шатунный механизм; 5 – кулисный механизм;
6 – пруток
а) – пассивный пруток из проволоки круглого поперечного сечения; б) - витая цилиндрическая пружина растяжения из проволоки круглого поперечного сечения; в) - витая цилиндрическая пружина из проволоки круглого поперечного сечения, один конец которой закреплен
в стойке, а другой совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси щетки
Рисунок 2.1 - Конструктивно-технологические схемы очистителя корнеплодов
свеклы от загрязнений
50
Предлагаемое устройство имеет транспортирующий корнеклубнеплоды
элемент 1, выполненный в виде лотков, отходящих от каждого выкапывающего органа для индивидуальной транспортировки корнеклубнеплодов каждого рядка, основаниями которых могут быть прутковые транспортеры. Над
транспортирующим элементом 1 установлены приводные цилиндрические
щетки 2 с эластичным ворсом. Над щетками расположена витая цилиндрическая пружина растяжения 3 из проволоки круглого поперечного сечения, ось
которой расположена параллельно оси щеток. Один конец пружины закреплен
к раме, а второй совершает возвратно-поступательное вибрационное движение вдоль оси щеток посредством кривошипно-шатунного 4 и кулисного 5 механизмов, что приводит к её самоочистке.
В процессе работы выкопанные корнеклубнеплоды транспортирующим
элементом 1 лоткового типа подаются головками вперёд в зону действия приводных цилиндрических щёток 2 с эластичным ворсом, которые за счёт возвратно-поступательного вибрационного движения витой цилиндрической
пружины 3 вдоль оси щёток посредством кривошипно-шатунного 4 и кулисного 5 механизмов очищаются от налипшей почвы. Благодаря тому, что ворох
корнеклубнеплодов практически отсутствует, так как они движутся в один
слой, происходит более интенсивное воздействие очистительных рабочих органов, нежели бы они двигались в толще вороха и беспорядочно.
2.2 Определение конструктивно-кинематических параметров и режимов активного очистителя
Теоретические исследования Ю.Б. Аванесова, Н.И. Кривогова [3], [4],
Ч.Е. Арданова [18], В.И. Горшенина, В.Я. Кондратьева, В.М. Булгакова, С.В.
Соловьева [24], [25], [26], [27], [28], [29], Н.П. Волосевича [5], К.К. Адрианова,
Г.Р. Винтерле [19], А.В. Дервиша [20], С.А. Найданова [21], [22], [23], К.З.
Кухмазова [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], А.Ф. Никитина [7], [8], [9], [10],
51
[11], [12], Л.В. Погорелого, В.В. Брея [13], [14], [15], [16] и др., явились основой для проведения теоретических исследований очистителя корнеплодов сахарной свёклы от почвенных примесей, выполненного в виде щётки.
Работа очистителя с вращающимся щёточным барабаном в полевых
условиях при переувлажнённой почве не позволяет в полной мере использовать существующие рекомендации и справочные данные для расчёта его основных элементов [21], [18], [83]. Поэтому необходимо провести ряд теоретических исследований предлагаемого очистителя и получить аналитические зависимости и формулы для определения основных конструктивно-кинематических параметров.
С учётом вышеизложенного, подлежащие исследованию вопросы, сводятся к теоретическому обоснованию:
1. геометрических параметров очищающей цилиндрической пружины;
2. глубины погружения витков пружины в щёточный барабан.
По данным С.А. Найданова самоочищение щеточного барабана под действием центростремительной силы не происходит, даже при оборотах щеточного барабана 548 мин-1, так как взаимодействие ворсин с загрязнёнными корнеплодами можно считать величиной постоянной. Поэтому требуется производить очистку барабана дополнительным устройством [86].
В качестве устройства для очистки, нами используется активный очиститель (рисунок 2.1).
2.2.1 Обоснование усилий давления ворса щёточного очистителя
При вращении щёточного барабана, ворсины, счищая частицы влажной
почвы с корнеплода, прилипают к рабочей поверхности, образовывая нарост.
Затем, по мере увеличения количества почвы на поверхности, нарост срывается, т. к. он не может увеличиваться до бесконечности.
Чтобы нарост, который образовывается срывался, не успевая увеличи-
52
ваться, необходимо постоянно сообщать ворсине силовое воздействие. Причём возникающая сила инерции должна быть больше силы прилипания почвы
к рабочим поверхностям, т. е.
𝐹ки > Т или 𝑚 ∙ 𝜀 > 𝑆 ∙ 𝑓лип ,
(2.1)
При постепенном увеличении осевой нагрузки Р (сжатие ворса), когда
1
происходит прижатие ворса к корнеплоду, можно достигнуть 𝑃кр
, при котором
ворс будет терять устойчивость (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Схема равновесия ворсины под действием критической силы
1
Для определения 𝑃кр
, используем дифференциальное уравнение линии
прогибов [87]. Изгибающий момент М в сечении, расположенном на расстоянии у равен:
𝑀 = −𝑃н1 (𝛿 − 𝑤),
(2.2)
где 𝛿 – отклонение, м;
𝑤 – отклонение в произвольной точке, м.
Уравнение для линии прогибов будет иметь вид:
𝐸𝐼
𝑑2𝑤
𝑑𝑦 2
= −𝑀,
(2.3)
где 𝐸 – модуль упругости для материала ворса, Н/м2;
𝐼 – момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной
оси, м4.
53
Тогда
𝐸𝐼
𝑑2𝑤
𝑑𝑦 2
= 𝑃н1 (𝛿 − 𝑤).
(2.4)
Обозначим
𝑘2 =
𝑃н1
𝐸𝐼
.
(2.5)
Тогда получим следующее уравнение:
𝑤̈ + 𝑘 2 𝑤 = 𝑘 2 𝛿 ;
𝑤 = 𝑐1 sin 𝑘𝑦 + 𝑐2 cos 𝑘𝑥 + 𝛿.
(2.6)
(2.7)
Граничные условия:
𝑤 = 𝑤̇ = 0
(2.8)
При 𝑦 = 0,
𝑐1 = 0,
(2.9)
𝑐2 = −𝛿 .
(2.10)
Получаем, что линия прогибов описывается следующим уравнением:
𝑤(𝑦) = 𝛿(1 − cos 𝑘𝑦).
(2.11)
Прогиб 𝛿 остаётся неопределённым, а
𝑤=𝛿
(2.12)
при 𝑦 = 𝐿, где 𝐿 – длина ворса, м.
Из уравнения линии прогибов следует
𝛿 cos 𝑘𝐿 = 0.
(2.13)
Тогда возможны два варианта: либо
𝛿 = 0,
(2.14)
cos 𝑘𝐿 = 0.
(2.15)
или
Откуда
𝜋
𝑘𝐿 = 𝑛, 𝑛 ∈ 𝑁,
2
где 𝑛 = 1, 2, 3 … - натуральные числа.
(2.16)
54
1
Для определения наименьшего значения критической силы 𝑃кр
, 𝑛 = 1.
Тогда
𝜋
𝑘𝐿 = ,
(2.17)
2
следовательно
1
𝑃кр
𝜋2 𝐸𝐼
=
4𝐿2
.
(2.18)
Допуская, что ворсина имеет сечение круглой формы, определим 𝐼 следующим образом:
𝐼=
4
𝜋𝑑ворс
64
,
(2.19)
где 𝑑ворс – диаметр ворсины, м.
Подставим (2.19) в (2.18), получим:
1
𝑃кр
=
4
𝜋3 𝐸𝑑ворс
256𝐿2
.
(2.20)
После этого, из уравнения (2.20), определим максимально допустимый
диаметр ворсины для данного условия деформации, при этом зададимся кри1
тической силой 𝑃кр
, значение которой примем равной не больше той силы, при
1
которой может повреждаться корнеплод, т.е. 𝑃кр
≤ 𝑃об :
4
1 𝐿2
256𝑃кр
𝑑ворс = √
𝜋3 𝐸
.
(2.21)
Рассмотрим другой случай для ворсины с прямой осью и постоянным по
длине поперечным сечением (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 – Схема нагружения ворса сжимающей силой Р
55
Пусть один конец 𝑂 имеет шарнирно неподвижную опору, а второй шарнирно подвижную. Считаем, что сжимающая сила 𝑃 приложена в центре тяжести сечения и во всё время нагружения направлена строго по вертикали.
Из курса сопротивления материалов [87] получим уравнение изогнутой
оси в следующем виде
𝐸𝐼
𝑑2𝑈
𝑑𝑦 2
= −𝑃𝑈,
(2.22)
где 𝑈 – прогиб в сечении 𝑦, м;
𝑃 – сжимающая сила, Н.
Принимаем 𝐸𝐼 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. После этого дважды продифференцируем уравнение (2.22)
𝐸𝐼
𝑑4𝑈
= −𝑃
𝑑𝑦 4
Введём обозначение 𝑘 2 =
𝑑4𝑈
𝑑𝑦 4
+
𝑃
𝐸𝐼
𝑑2𝑈
𝑑𝑦 2
.
(2.23)
и получим из уравнения (2.23):
2
𝑑 𝑈
𝑘2 2
𝑑𝑦
= 0.
(2.24)
Однородному линейному дифференциальному уравнению (2.24) соответствует характеристическое уравнение
𝑆 2 (𝑆 2 + 𝑘 2 ) = 0,
(2.25)
где 𝑆 2 – переменная;
𝑖 – мнимая единица;
𝑆1 = 𝑆2 = 0;
𝑆3,4 = ±𝑖𝑘.
𝑆1 , 𝑆2 , 𝑆3 , 𝑆4 – корни характеристического уравнения.
Тогда, общий интеграл уравнения (2.23) будет иметь вид:
𝑈 = 𝐴 sin 𝑘𝑦 + 𝐵 cos 𝑘𝑦 + 𝐶𝑥 + 𝐷,
(2.26)
где 𝐴, 𝐵, 𝐶, и 𝐷 – коэффициенты, учитывающие граничные условия;
𝑘 – коэффициент, учитывающий длину ворса при сжимающей силе 𝑃;
𝑦 – произвольная точка.
Тогда в нашем случае, граничные условия будут иметь вид (рисунок
56
2.4):
𝑈 = 0,
𝑑𝑈
𝑈 = 0,
𝑑𝑈
𝑑𝑦
𝑑𝑦
= 0 при 𝑦 = 0;
(2.27)
= 0 при 𝑦 = 𝐿,
(2.28)
где 𝑈 – прогиб в сечениях 𝑦, м;
𝐿 – длина ворсинки, м.
Рисунок 2.4 – Равновесие ворсинки под действием критической силы
Затем из уравнения (2.26) можно получить соотношения между
𝐴, 𝐵, 𝐶, и 𝐷:
𝐵+𝐷 =0
𝐴𝑘 + 𝐶 = 0
{
𝐴 sin 𝑘𝐿 + 𝐵 cos 𝑘𝐿 + 𝐶𝐿 + 𝐷 = 0
𝐴 sin 𝑘𝐿 + 𝐵 cos 𝑘𝐿 = 0
При 𝐴 ≠ 0, −𝐷 = 𝐵 = −𝐴𝑘𝐿, 𝐶 = −𝐴𝑘,
получим sin 𝑘𝐿 − 𝑘𝐿 cos 𝑘𝐿 = 0,
либо tg 𝑘𝐿 = 𝑘𝐿.
(2.29)
57
Определяя наименьшее значение 𝑘𝐿, которое будет удовлетворять этому
уравнению, получим 𝑘𝐿 ≈ 4,49.
2
Определить 𝑃кр
можно из следующего выражения:
2
𝑃кр
≈ 20,19
𝐸𝐼min
𝐿2
,
(2.30)
а с известными приближениями
2
𝑃кр
≈
𝜋2 𝐸𝐼
𝐿2
,
(2.31)
или
2
𝑃кр
≈
4
2𝜋3 𝐸𝑑ворс
64𝐿2
.
(2.32)
Уравнение упругой линии будет:
𝑈 = 𝐴[sin 𝑘𝑦 − 𝑘𝑦 + 𝑘𝐿(1 − cos 𝑘𝑦)].
(2.33)
Как следует из описания работы устройства для очистки, очистка поверхности выполняется ворсинами щётки, которые счищают загрязнения при
взаимодействии ворса с некоторым усилием по очищаемой поверхности.
Усилие должно быть таким, чтобы с одной стороны происходило отделение почвы, а с другой не происходило повреждение корнеплода.
Отрыв частиц почвы от поверхности корнеплода в процессе скольжения
ворса, происходит за счёт сил трения, поэтому требуется определить их величину.
Сила трения вычисляется по следующей формуле [88], [89]:
𝐹 = 𝑓 ∙ 𝑃𝑁 ,
(2.34)
где f – коэффициент трения ворса по поверхности прутка,
РN – сила нормального давления ворса на поверхность, Н.
По рисунку 2.5 определяем графически силу РN
Рассмотрим общее усилие ворса как результат двух составляющих сил:
динамической и статической
𝑃об = 𝑃д + 𝑃𝑐 .
(2.35)
Динамическая составляющая обусловлена скоростью вращения ворса и
58
величиной момента его инерции. Её можно определить из следующего выражения
𝑃д = 𝐽
𝑑𝑤
𝑑𝑡
,
(2.36)
где J – момент инерции ворса относительно оси вращения щёточного
барабана, м4;
𝑑𝑤
𝑑𝑡
- величина углового ускорения ворса, рад/с2.
1 – ворсина; 2 – пружина; 3 – корнеплод; 4 – щеточный очиститель
Рисунок 2.5 – Схема взаимодействия ворсины с пружиной
59
Значение статической составляющей зависит от геометрических размеров ворса и материала, из которого он изготовлен, а также от его деформации
при взаимодействии с поверхностью корнеплода. Поэтому можно считать, что
статическая составляющая пропорциональна углу закрутки ворса, т. е.
𝑃с = 𝐾 ∙ 𝜃 .
(2.37)
где К – коэффициент пропорциональности, учитывающий жёсткость и
изменение условий контакта ворса с поверхностью, Н/град,
Θ – угол закрутки ворса, град.
При работе ворса угол Θ изменяется непрерывно. Также изменяется сила
воздействия ворса на поверхность. Чтобы определить усилие, развиваемое
ворсом в каждый данный момент времени, возникает необходимость выражения угла Θ через известные параметры щёточного барабана: угол поворота щёточного барабана, величину максимальной деформации и геометрические размеры щёточного барабана. Для этого воспользуемся рисунком (рисунок 2.5),
где линия ОО', перпендикулярная обрабатываемой плоскости, принята за
начало отсчёта, 𝛽 = 𝑤 ∙ 𝑡 – угол поворота щёточного барабана, град, Θ' – угол
наклона ворса к нулевой линии О–О', град, R – радиус барабана, м, L – длина
ворса, м, ΔL – максимальная величина радиальной деформации, м.
Из рисунка видно, что на участке М–О' угол Θ = Θ'–β, а на участке О'–К
𝑙′
Θ = Θ'+β; 𝛩′ = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 , l' = l+R(1–cosβ), l = R+ L–ΔL,
𝐿
откуда
𝛩′ = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
Следовательно
𝛩 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
.
(2.38)
− 𝛽,
(2.39)
где с левой стороны от линии О–О' угол β положителен, справа – отрицателен.
Центральный угол β1, соответствующий началу контакта, находится из
условия (рисунок 2.5): 𝛽1 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑅+𝐿−𝛥𝐿
𝑅+𝐿
.
Учитывая, что R+L=Rщ (радиус щёточного барабана), запишем:
60
𝛽1 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (1 −
𝛥𝐿
𝑅щ
).
(2.40)
Тогда предельное значение угла β2, который характеризует поворот барабана в момент окончания контакта, определяем исходя из следующего. В
момент выхода ворса из контакта с поверхностью Θ'=О. Пользуясь формулой
(2.38), для рассматриваемого момента 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
= 1, а 𝑐𝑜𝑠𝛽2
𝑙+𝑅−𝐿
𝑅
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
= 0, откуда получаем
𝐿
.
Отсюда находим
𝛽2 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅−𝐿
𝑅
.
(2.41)
Согласно уравнений (2.37) и (2.39), второй член уравнения (2.34) в правой части, записывается как
𝑃с = 𝐾 [𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
− 𝛽],
(2.42)
тогда уравнение (2.35) можно записать как
𝑃об = 𝐽
𝑑𝑤
𝑑𝑡
+ 𝐾 [𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
− 𝛽].
(2.43)
𝑃𝑁 = 𝑃об ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃′′,
𝑐𝑜𝑠𝜃′′ =
√𝐿2 −(𝑙′ )2
𝐿
(2.44)
𝑠𝑖𝑛𝜃′′ =
;
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
.
Отсюда следует
𝑃𝑁 = 𝑃об
√𝐿2 −[𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)]2
𝐿
,
(2.45)
Подставляя, вместо Роб его значение, получаем:
𝑃𝑁 = {𝐽
𝑑𝑤
𝑑𝑡
+ 𝐾 [𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
− 𝛽]} ∙
√𝐿2 −[𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)]2
𝐿
,
(2.46)
После этого, уравнение (2.12) будет иметь вид:
𝐹 = 𝑓 {𝐽
𝑑𝑤
𝑑𝑡
+ 𝐾 [𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
𝐿
− 𝛽]} ∙
√𝐿2 −[𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)]2
Подставив выражение (2.46) в (2.21), получим
𝐿
.
(2.47)
61
4
𝑑ворс
𝑑𝑤
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
−𝛽])∙𝐿2
𝐿
256∙(𝐽 𝑑𝑡 +𝐾[𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
=√
3
𝜋 𝐸
.
(2.48)
Аналогично, как и в случае выше, задаваясь предельно допустимым зна2
2
чением 𝑃кр
, из уравнения (2.32), соблюдая условие , т.е. 𝑃кр
≤ 𝑃об :, найдём
значение диаметра ворсины
4
2 𝐿2
32𝑃кр
𝑑ворс = √
𝜋3 𝐸
4
𝑑𝑤
32∙(𝐽 𝑑𝑡 +𝐾[𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠
=> 𝑑ворс = √
𝑙+𝑅(1−𝑐𝑜𝑠𝛽)
−𝛽])∙𝐿2
𝐿
𝜋3 𝐸
. (2.49)
2.2.2 Обоснование геометрических параметров очищающей цилиндрической пружины
Принцип работы очищающей цилиндрической пружины растяжения заключается в том, что при её деформации вдоль оси вращающегося щёточного
барабана, она взаимодействует с ворсинами цилиндрической щётки, на которых находятся частички почвы, деформируя их, и частично счищая почву, задаёт ворсинам силу, которая при сходе пружины с ворса, стремится выпрямить
ворсины. В дальнейшем, частички почвы отрываются и сходят с ворсин. Аналогично происходит при возвратном движении пружины.
Основными геометрическими параметрами витых цилиндрических пружин из проволоки круглого поперечного сечения являются [90]:
dпров – диаметр проволоки, м;
D – средний диаметр пружины, м;
𝑖=
𝐷
𝑑пров
– индекс пружины;
t – шаг витков, м;
z – рабочее число витков, шт.;
α – угол подъёма витков, град.;
s – длина рабочей части пружины, м.
Средний диаметр пружины D можно определить по формуле:
62
𝐷 = 𝑖 ∙ 𝑑пров .
(2.50)
Диаметр проволоки вычисляем по следующей формуле
𝑘∙𝑖∙𝑃
𝑑пров = 1,6√ [𝜏 ] ,
к
(2.51)
где k – коэффициент, учитывающий кривизну витков;
P – максимальная сила, растягивающая или сжимающая пружины, Н;
[τк] – допускаемое напряжение на кручение проволоки пружины, Па.
Для определения диаметра очищающей пружины поступаем следующим образом. С теоретической точки зрения – чем больше количество захватываемых ворсин щёточного барабана – тем больше полезная зона очистки.
Однако, чем больше зона очистки – тем больше усилие для деформации (растяжения) пружины требуется приложить. Также тем больше геометрические
параметры пружины, и как следствие её вес. Это отрицательно скажется на
весе всего рабочего участка для очистки в машине.
Использование динамической пружины в качестве очистителя позволяет ей самоочищаться посредством её движения вдоль оси щёток. Возможность самоочищения статичной пружины будет происходить при определенной её жесткости за счёт упругих свойств посредством вибрации при её взаимодействии с вращающейся щёткой. Коэффициент жесткости статичной пружины для обеспечения её вибрации и самоочистки должен быть ниже расчётного (формула 2.64). Таким образом, диаметр пружины будет зависеть конструктивно от диаметра щётки, расстояния до места удара по ворсине и жесткости пружины. Ширину рассматриваемого участка принимаем для одного
ряда [55], [57], [56], [58] – 45…60 мм.
Тогда, необходимо определить требуемое усилие для деформации (растяжения) пружины на рассматриваемом участке.
Кроме того, чем глубже витки погружены в ворс – тем больше необходимо усилие для деформации (растяжения) пружины. Так как точка приложения силы к ворсине может находится на разных уровнях, то противодействующая сила по величине будет разная.
63
В дальнейшем исследовании в соответствии с теоретическими исследованиями нами определяются жесткость пружины, её наружный диаметр и диаметр проволоки пружины.
2.2.3 Обоснование жесткости пружины
Рассмотрим кривошипно-шатунный механизм без щёточного барабана
(рисунок 2.6). В кривошипно-ползунном механизме, расположенном в вертикальной плоскости, кривошип ОА, представляющий собой однородный стержень, через шатун АВ, также однородный стержень, связан с ползуном В (рисунок 2.6). С ползуном скреплена пружина, жесткость которой сх. При вертикальном положении кривошипа ОА пружина не деформирована. Трением в
шарнирах и опорах ползуна, а также сопротивление среды пренебрегаем.
Найдём, при какой жесткости с1кр пружины вертикальное положение кривошипа будет устойчивым. Для значения сх=5с1кр получить уравнение движения
кривошипа, если в начальный момент времени его повернули на угол, равный
3° против направления вращения часовой стрелки, и отпустили без начальной
скорости.
Рисунок 2.6 – Расчётная схема очистителя
64
Выберем в качестве обобщенной координаты угол отклонения φ кривошипа, считая его малым. Кинетическая энергия кривошипа
1
1
2
6
2
2
𝑇1 = 𝐽𝑂𝐴 𝜔𝑂𝐴
= 𝑚1 𝑙кр
𝜑2.
(2.52)
где JOA – осевой момент инерции кривошипа, м4;
ωОА – угловая скорость кривошипа, сек-1;
m1 – масса кривошипа, кг;
lкр – длина кривошипа, м;
φ – угол отклонения кривошипа, рад.
Шатун АВ в положении, соответствующем φ = 0, совершает мгновеннопоступательное движение, т.е. его угловая скорость равна нулю. При отклонении кривошипа от вертикали (рисунок 2.6) можно записать
𝐴𝐷 = 𝑂𝐴 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝐴𝐵 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼.
(2.53)
или, дифференцируя по времени,
−𝑂𝐴 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜑 ∙ 𝜑̇ = 𝐴𝐵 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 ∙ 𝛼̇ .
(2.54)
Отсюда
𝛼̇ = −
𝑂𝐴∙𝑠𝑖𝑛𝜑∙𝜑̇
𝐴𝐵∙𝑐𝑜𝑠𝛼
.
(2.55)
Так как 𝜑 и 𝜑̇ малы, угловая скорость 𝛼̇ будет иметь второй порядок малости и, следовательно, при вычислении кинетической энергии шатуна его
движение можно считать поступательным, т. е.
𝑣𝐵 = 𝑣𝐶 = 𝑣𝐴 = 𝑙кр ∙ 𝜑̇ .
(2.56)
Тогда суммарная кинетическая энергия
1 𝑚1
3
𝑇= (
2
2
+ 𝑚2 + 𝑚3 ) 𝑙кр
𝜑̇ 2 .
(2.57)
Сопоставив это уравнение со стандартным выражением [91], [92] для кинетической энергии в системе с одной степенью свободы, получаем обобщенный инерционный коэффициент
𝑎=(
𝑚1
3
2
+ 𝑚2 + 𝑚3 ) 𝑙кр
.
(2.58)
При вычислении потенциальной энергии учтем деформацию пружины и
65
опускание центров тяжести кривошипа и шатуна. С учетом малости φ деформация пружины 𝜆 = 𝑙 ∙ 𝜑. Поскольку центры тяжести кривошипа С1, и шатуна
С при движении механизма находятся на одной горизонтали (рисунок 2.6), их
опускание
1
ℎ′ = 𝑙кр (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜑).
2
(2.59)
Тогда
1
2
П = [с1 𝑙кр
𝜑 2 − (𝑚1 + 𝑚2 )𝑔𝑙кр (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜑)].
2
(2.60)
Учитывая в разложении cosφ величины до второго порядка малости:
𝑐𝑜𝑠𝜑 = 1 −
𝜑2
2
,
(2.61)
получаем
1
1
2
2
2
П = [с1 𝑙кр
− (𝑚1 + 𝑚2 )𝑔𝑙кр ] 𝜑 2 ,
(2.62)
откуда, согласно [91], [92], квазиупругий коэффициент
1
2
𝑐 = с1 𝑙кр
− (𝑚1 + 𝑚2 )𝑔𝑙кр
2
(2.63)
Отметим интересное обстоятельство. Если при определении кинетической энергии движение шатуна можно считать поступательным, то при вычислении потенциальной энергии необходимо учитывать его поворот, поскольку
и изменение потенциальной энергии шатуна, так же, как и изменение потенциальных энергий кривошипа и пружины, имеет второй порядок малости.
Для устойчивости положения равновесия необходимо выполнение условия [91], [92]. Приравнивая с к нулю, находим критическое значение с1кр жесткости пружины:
1
𝑔
2
𝑙кр
𝑐1кр = (𝑚1 + 𝑚2 )
= 90 Н/м.
(2.64)
По условию с1 = 5с1кр =450 Н/м .
Таким образом, дифференциальное уравнение движения системы получилось в виде
𝜑̈ + 𝜔2 𝜑 = 0.
(2.65)
66
𝑐
1
2 − (𝑚 +𝑚 )𝑔𝑙
с1 𝑙кр
1
2
кр
2
где 𝜔кр = √ = √
𝑎
𝑚
2
( 1 +𝑚2 +𝑚3 )𝑙кр
3
; 𝜔кр = 6 рад/с.
В соответствии с [91], [92] получаем общее решение в виде
𝜑 = 𝐶1 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 + 𝐶2 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡.
(2.66)
В начальный момент кривошип отклонили от вертикали на угол φ = 3° и
отпустили без начальной скорости, т. е. начальные условия [91], [92] будут такими:
𝜋
при t = 0, 𝜑 = 𝜑0 =
∙ 3 = 0,052рад, 𝜑̇ = 𝜑̇ 0 = 0.
180
Определив С1 = 0,052 рад; С2 = 0, находим
𝜑 = 0,052𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 рад.
(2.67)
2.2.4 Обоснование теоретической скорости удара ворсины о поверхность витка пружины
Для расчёта теоретической скорости, в соответствие с теорией удара [93]
и учитывая упругие свойства ворса щётки, её можно определить, как
𝑉ут = 𝑉уп + 𝑉ув ,
(2.68)
где 𝑉уп – скорость удара в момент касания ворса щетки с витком пружины для очистки, рассчитывается по формуле [94] 𝑉уп = 𝜔б ∙ 𝑅уд , м/с, где
𝜔б = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 – угловая скорость вращения щётки (ωб = 2*3,14*548/60 = 57,39
рад/с [23], [22]), рад/с; 𝑅уд - расстояние от оси вращения щеточного барабана
до места удара, м (рисунок 2.7);
𝑉ув – скорость, возникающая при выпрямлении ворса после схода с корнеплода за счёт собственных упругих свойств, м/с.
Рассматривая ворсину как физический маятник, можно определить его
1
период малых колебаний Т, ( ) по формуле [95]:
с
𝑇 = 2𝜋√
𝐼
𝑚𝑔𝑙
,
(2.69)
67
где I — момент инерции маятника (ворсины) относительно оси вращения, кг*м2 [96], m — масса маятника (ворсины), кг, l — расстояние от оси вращения до центра масс, м.
Рисунок 2.7 – Схема определению скорости удара
Длину пути, которую требуется преодолеть концу ворсины при очищении корнеплода, можно представить, как сумму путей, проделываемых в результате относительного (со скоростью ωб = 57,39 рад/с) и переносного (со
скоростью v) движения щеточного барабана, на котором закреплена ворсина и
транспортируемого корнеплода (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Схема к определению длины следа ворсины
68
Рассматривая эти движения как независимые, и суммируя их результаты
[97], определим длину траектории ворсины L в период её контакта с корнеплодом
𝐿 = 2 (𝑟в +
𝑣
𝑤б
) 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛
√𝑟в (ℎ−𝑟в )
𝑟в
.
(2.70)
где v – переносная скорость транспортера, м/с;
rв – радиус траектории конца изгибающейся ворсины, м;
h – максимальная глубина погружения ворсины в массив загрязнения, м.
Тогда на основании формул (2.69) и (2.70), скорость 𝑉ув можно определить как отношение пути ко времени в течение которого происходит выпрямление ворсины
𝑉ув
=
𝐿
𝑇
=
√𝑟 (𝑟 −ℎ)
𝑣
)𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 в в
𝑤б
𝑟в
𝐼
2𝜋√
𝑚g𝑙
2(𝑟в +
.
(2.71)
Таким образом вычислить скорость, при которой происходит удар о виток пружины, согласно формул (2.68), (2.71) можно следующим образом
𝑉ут = 𝜔б ∙ 𝑅уд +
√𝑟 (𝑟 −ℎ)
𝑣
)𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 в в
𝑤б
𝑟в
𝐼
2𝜋√
𝑚g𝑙
2(𝑟в +
(2.72)
Окончательно, теоретическую скорость удара после некоторых преобразований определим, как
𝑉ут
= 𝜔б ∙ 𝑅уд +
(𝑟в +
√𝑟 (𝑟 −ℎ)
𝑣
)𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 в в
𝑤б
𝑟в
𝐼
𝜋√
𝑚g𝑙
(2.73)
В результате можно получить зависимость скорости удара от расстояния
до места удара (рисунок 2.9). Из рисунка видно, что скорость удара изменяется
по линейной зависимости возрастая по мере увеличения расстояния до места
удара. Анализ зависимости показывает, что влияние на скорость наиболее существенно может оказывать скорость транспортера и радиус траектории конца
изгибающейся ворсины, который напрямую зависит от диаметра цилиндрической щётки.
69
7,00
Скорость удара Vу, м/с
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
Расстояние от оси вращения до места удара, м
Рисунок 2.9 – Зависимость скорости удара от расстояния до места удара
2.2.5 Определение теоретической скорости удара по ворсине, необходимого для очистки от налипшей почвы
Для определения необходимой скорости удара по ворсине, чтобы очистить её от почвы, необходимо знать и учитывать некоторые технологические
свойства почвы. В рассматриваемом случае, к ним относятся липкость и фрикционные свойства почвы [98], [99], [100], [101].
При определенной влажности почвы прилипание и трение воздействуют
совместно. При скольжении почвы по поверхности рабочего органа, оба процесса проявляются одновременно в виде сопротивления ее скольжению.
Тогда сопротивление скольжению, определяется как
𝑇общ = 𝐹тр + 𝐹пр = 𝑓𝑁 + 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆
(2.74)
где Fтр – сила трения почвы по поверхности рабочего органа, Н;
Fпр – сила прилипания почвы к материалу поверхности рабочего органа, Н.
Логично сделать вывод, что определённая ранее теоретическая скорость
удара 𝑉ут (2.73) должна быть равной или больше теоретической скорости удара
70
т
по ворсине 𝑉у.оч
, необходимой для очистки её от почвы, т.е.
т
𝑉ут ≥ 𝑉у.оч
(2.75)
Максимальное значение силы трения Fтр достигается при скольжении
[98], [100].
Значения Fтр находятся в интервале 0,25…0,90, φ – 14˚…42˚ [98].
Кроме того, на трение значительное влияние оказывает влажность.
При пониженной влажности от 0 до 8…10% почвенная влага не прилипает к поверхности – имеет место “истинное трение” и коэффициент трения не
зависит от влажности. Увеличение Fтр объясняется возникновением сил молекулярного притяжения почвенных частиц к поверхности. Когда влажность
увеличивается до 50…80%, она играет роль смазки, поэтому Fтр уменьшается.
На Fтр оказывает влияние механический состав почвы [98], т. е. содержание физической глины (частицы менее 0,1 мм).
Для определения липкости, также можно воспользоваться известным
уравнением:
𝐺л =
𝑃отр
𝑆
,
(2.76)
где Ротр – сила, необходимая для отрыва образца от почвы, Н;
S – площадь поверхности соприкосновения, м2.
Она может проявляется двояким образом.
- как сопротивление при скольжении почвы по поверхности рабочих органов.
- как сопротивление при отрыве находящихся в контакте с ней твердых
тел.
Сопротивление скольжению от прилипания:
𝐹пр = 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆,
(2.77)
где р0 – коэффициент удельного прилипания при отсутствии нормального давления, Па;
p – коэффициент удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением, Па;
71
S – видимая площадь контакта, м2;
N – сила нормального давления, Н.
Сравнивая 𝐺л =
𝑃отр
𝑆
и 𝐹пр = 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆, видно, что законы тре-
ния и прилипания имеют существенные различия.
Прилипание в отличие от трения зависит не только от нормального давления и свойств материалов рабочей поверхности, но и от площади контакта и
проявляются даже при отсутствии нормального давления N [98].
Липкость почвы зависит от механического состава (дисперсности),
влажности, материала рабочей поверхности рабочего органа и удельного давления [98]. С увеличением дисперсности липкость возрастает, поэтому глинистые почвы более липкие, чем песчаные. Бесструктурные более липкие, чем
структурные [98].
Липкость проявляется лишь при определенной влажности:
- для бесструктурных почв при относительной влажности 40…50%;
- для структурных почв – 60…70%.
С увеличением влажности липкость сначала возрастает, а затем падает.
Ворс щёточного барабана изготавливают из капрона или лавсана, который снижает величину липкости [98].
Почва будет налипать на рабочую поверхность ворсины, если силы
сцепления и трения между почвенными частицами или агрегатами движущегося пласта меньше, чем силы трения и прилипания между почвой и рабочей
поверхностью, т.е.
(𝐶0 + 𝜎 ∙ tan 𝜑) ∙ 𝑆 < 𝑓𝑁 + 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆
(2.78)
где C0 – коэффициент сцепления почвы, (для чернозёма C0 = 6…9 Н/м2);
𝑁
σ – нормальное давление (𝜎 = ), Па.
𝑆
Так как сила есть не что иное, как скорость импульса, или скорость изменения количества движения mv [102], то для дальнейших расчётов выразим
скорость удара через силу.
72
Вначале запишем уравнение для определения периода свободных колебаний для ворсины, закрепленной в барабане
𝑇 = 2𝜋
𝑙в2
𝛿
√
3.56 𝐸𝐼g
(2.79)
где 𝑙в2 – длина ворсины, м;
δ – удельный вес ворсины на единицу длины Н/м4;
E – модуль упругости ворсины, Па;
I – момент инерции ворсины, м4.
g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²).
Чтобы при ударе ворсина отставала от прутка, период собственного колебания ворсины
2𝜋
𝜔
должен быть больше колебания прутка об который про-
исходит удар.
Следовательно, период свободного колебания ворсины будет
𝑇 = 2𝜋
𝑙2
𝛿
2𝜋
√ <
3.56 𝐸𝐼g
𝜔
,
(2.80)
отсюда
𝜔<
3,56
𝑙2
𝐸𝐼g
√
𝛿
.
(2.81)
Теперь можно определить необходимый и достаточный импульс силы
для очистки поверхности ворсины от почвы.
Подставим, определённые выше значения силы и времени (период свободного колебания) в следующую формулу:
𝑃 = 𝐹 ∙ 𝑡,
(2.82)
где t = T, а F, будет принимать значения (𝐶0 + 𝜎 ∙ tan 𝜑) ∙ 𝑆, либо
𝑓𝑁 + 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆, рассмотренные выше.
Тогда импульс силы будет равен –
𝑃 = (𝑓𝑁 + 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆) ∙ 2𝜋
𝑙2
𝛿
√ ,
3.56 𝐸𝐼g
(2.83)
73
а необходимый и достаточный импульс силы для очистки поверхности ворсины от почвы должен быть больше этого значения, а именно:
𝑃оч > 𝑃 = (𝑓𝑁 + 𝑝0 ∙ 𝑆 + 𝑝 ∙ 𝑁 ∙ 𝑆) ∙ 2𝜋
𝑙2
𝛿
√ .
3.56 𝐸𝐼g
(2.84)
На основании неравенства (2.78), можно определить теоретическую скорость удара по ворсине, необходимую для очистки её от почвы.
𝑃
т
𝑉у.оч
>
𝑚
(𝑓𝑁+𝑝0 ∙𝑆+𝑝∙𝑁∙𝑆)∙2𝜋
=
𝑙2
𝛿
√
3.56 𝐸𝐼g
𝑚
.
(2.85)
Подставив выражения (2.73) и (2.85) в формулу (2.75), получим
𝑉ут = 𝜔б ∙ 𝑅уд +
√𝑟 (𝑟 −ℎ)
𝑣
)𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 в в
𝑤б
𝑟в
(𝑟в +
𝐼
𝑚g𝑙
𝜋√
>
(𝑓𝑁+𝑝0 ∙𝑆+𝑝∙𝑁∙𝑆)∙2𝜋
𝑙2
𝛿
√
3.56 𝐸𝐼g
𝑚
(2.86)
На основании полученной формулы, строим график (рисунок 2.10)
100,00
Степень очистки ворсин,%
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
Скорость удара, м/с
5,00
6,00
Рисунок 2.10 – Зависимость степени очистки ворсины от скорости удара
74
2.2.6 Исследование контактного взаимодействия ворсины с витком пружины
Для определения диаметра проволоки для пружины, требуется вычислить площадь контакта между ворсиной и витком пружины. На основании основных формул механики контактного взаимодействия [103], и учитывая достаточно малое пятно контакта, введём следующее допущение – ворсину и
проволоку пружины будем рассматривать, как контакт двух цилиндров (рисунок 2.11), перекрещивающихся под углом 𝜋⁄4, и в силу малой зоны контакта,
принимаем что оно образовывает круг.
1 – ворсина; 2 – виток пружины; а – область контакта; б – траектория движения ворсины
при контакте с витком пружины; k – зона контакта на ворсине при движении по витку
Рисунок 2.11 – Схема взаимодействия ворсины с витком пружины
Для определения силы трения (2.74), нужно определить нормальную
силу и коэффициент трения. Нормальная сила определяется на основании формулы [103], т.е.
4
𝑁 = 𝐹 = 𝐸 ∗ 𝑅̃1⁄2 𝑑 3⁄2 .
3
(2.87)
75
где N (F) – нормальная сила, Н;
𝐸 ∗ – приведенный модуль упругости, Па;
𝑅̃ = √𝑅1 𝑅2 – Гауссов радиус кривизны (R1 и R2 – радиусы соответственно сечения ворсины и витка пружины, м);
d – глубина проникновения, м [103].
Приведенный модуль упругости определяется как:
1
𝐸∗
1−𝑣12
=
𝐸1
+
1−𝑣22
𝐸2
,
(2.88)
где E1 и E2 – модули упругости, Па; а v1 и v2 – коэффициенты Пуассона тел.
Выразим 𝐸 ∗ , для чего преобразуем формулу (2.88) –
𝐸∗ =
1
=
2
(1−𝑣2
1 )∙𝐸2 +(1−𝑣2 )∙𝐸1
𝐸1 ∙𝐸2
𝐸1 ∙𝐸2
2
(1−𝑣1 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
.
(2.89)
Область контакта a определяется согласно [103], т.е. 𝑎 = √𝑅 ∙ 𝑑. Так как
ранее мы приняли, что область контакта (пятно контакта) – круг, то площадь
контакта составит 𝑆 = 𝜋 ∙ 𝑎2 , м2. После преобразования, площадь контакта
̃∙
между ворсиной и витком пружины можно рассчитать по формуле: 𝑆 = 𝜋 ∙ 𝑅
𝑑, м2. Глубину проникновения тогда определим, как:
𝑑=
𝑆
𝜋∙𝑅̃
.
(2.90)
Подставим выражения (2.89), (2.90) в формулу (2.87):
4
𝐸1 ∙𝐸2
𝑁=𝐹= ∙
3 (1−𝑣12 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
√𝑅1 𝑅2 ∙ √(𝜋∙
𝑆
√𝑅1 𝑅2
3
4
) = ∙
3
∙ √𝑅1 𝑅2 ∙ √(
𝐸1 ∙𝐸2
2
(1−𝑣1 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
𝑆
3
4
𝐸1 ∙𝐸2
) = ∙
̃
3 (1−𝑣12 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
𝜋∙𝑅
∙√
𝑅1 𝑅2 ∙𝑆 3
𝜋3 ∙(√𝑅1 𝑅2 )
3
.
∙
(2.91)
Окончательно получим:
4
𝑁=𝐹= ∙
𝐸1 ∙𝐸2
3 (1−𝑣12 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
∙√
𝑆3
𝜋3 ∙√𝑅1 𝑅2
.
(2.92)
Сила трения при контактном взаимодействии между ворсиной и витком
пружины
76
4
𝐹тр = 𝑓𝑁 = 𝑓 ∙ ∙
𝐸1 ∙𝐸2
3 (1−𝑣12 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1
𝑆3
∙√
𝜋3 ∙√𝑅1 𝑅2
.
(2.93)
Выразим из формулы (2.93) радиус проволоки для изготовления пружины R2
𝑅2 =
𝑆 5 ∙(4∙𝑓∙𝐸1 ∙𝐸2 )4
4
𝜋5 ∙[3𝐹тр (1−𝑣12 )∙𝐸2 +(1−𝑣22 )∙𝐸1 ] ∙𝑅1
.
(2.94)
Диаметр проволоки будет равен соответственно, если увеличить R2 в два
раза, т.е. dпров = 2R2.
В соответствие с положениями, изложенными в п.р.2.2.2 и на основании
формул (2.50), (2.64), (2.94) определим основные конструктивные размеры
очищающей статичной пружины: dпров = 4мм; в соответствии с конструктивными размерами щётки и условием статичной пружины принимаем диаметр
пружины D = 130мм, тогда жесткость пружины оставит с1 = 130/4 = 32,5 <<
450, что соответствует условию самоочистки статичной пружины.
2.3 Выводы по разделу
На основании проведённых теоретических исследований были достигнуты следующие результаты.
1. Предложена конструктивно-технологическая схема устройства
для очистки эластичных прутков цилиндрических щёток от налипшей почвы. Новизна устройства подтверждена патентом на способ
№2400048 (РФ).
2. Получено аналитическое выражение сил (2.35), действующих на
пружину со стороны вращающейся щётки с учетом физико-механических свойств и конструктивных параметров ворса (2.49);
3. Получено аналитическое выражение диаметра ворсины щеточного очистителя, при котором она очищается в результате контакта с витком пружины (2.49);
4. Получено аналитическое выражение скорости удара ворсины по
77
витку пружины, необходимой для очистки её от налипшей почвы
(2.86);
5. Получено аналитическое выражение силы трения при контактном
взаимодействии между ворсиной и витком пружины (2.93);
6. Получено аналитическое выражение диаметра пружины в зависимости от приложенной нормальной силы (2.92).
78
3
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Программа экспериментальных исследований
Чтобы определить основные теоретические положения и выводы, а
также для установления ряда зависимостей, которые не удалось выявить
аналитическим путём, нами были проведен ряд экспериментальных
исследований.
В качестве исходных данных для разработки программы использовали:
задачи исследований, теоретические разработки, а также общую программу
исследований.
В соответствие с поставленной целью исследований предусматривалось:
- изучить физико-механические свойства почвы;
- экспериментально проверить основные теоретические положения работы в лабораторных условиях;
- изучить влияние различных факторов на степень очистки щёточного
барабана;
- исследовать в лабораторных условиях щёточные рабочие органы и
определить параметры витой цилиндрической очищающей пружины;
- исследовать качественные показатели работы экспериментальных очистителей в лабораторно-полевых условиях.
Объектом исследований являлся технологический процесс очистки корнеплодов сахарной свёклы от примесей почвы щёточным очистителем с витой
цилиндрической пружиной в условиях повышенной влажности.
Для выполнения назначенных задач, на основании соответствующих методик [104], [105], [106], [107], [108], и стандартов [109], [110] была разработана методика исследований очистительных рабочих органов, кроме того, использовались частные методики, которые изложены ниже.
79
Ряд экспериментальных исследований по определению влияния конструктивных и кинематических параметров на показатели качества работы щёточного барабана и витой цилиндрической пружины проводились с использованием однорядной лабораторной установки в трехкратной повторности.
Для совершенствования технологического процесса очистки корнеплодов и ворса щёточного барабана требуют уточнения некоторые физико-механические свойства почвы в условиях Центрального Черноземья РФ.
На основании вышеизложенного, программой исследований предусматривалось определение следующих характеристик:
1 Физико-механические свойства почвы и корнеплодов:
а) влажность почвы, %;
б) липкость почвы, кг/м2;
в) коэффициент внешнего трения почвы по поверхности;
г) диаметр корнеплодов, м;
д) загрязненность корнеплодов почвой, %.
2 Конструктивно-кинематические параметры очистителя:
а) степень очистки ворсины от скорости удара, %;
б) расстояние до места удара по ворсине, м;
в) расстояние от оси щёточного барабана до корнеплода, м;
г) диаметр проволоки и диаметр пружины, диаметр пассивного очистителя м;
д) степень очистки корнеплодов при использовании устройства, %.
Для определения указанных характеристик, экспериментальные исследования проводились в лабораторно-полевых условиях в период 2005 – 2014
г.г. на почвах Тамбовской области.
Методики исследований предусматривали определение вышеуказанных
показателей с применением приборов и средств измерений, которые представлены ниже.
80
Определение влажности почвы при исследованиях проводилось двумя
методами: в поле, где растут корнеплоды и в лаборатории на очищаемых корнеплодах.
3.2 Методика определения влажности почвы в поле
Определение влажности почвы при исследованиях в поле, где растут
корнеплоды проводилось с использованием влагомера для почвы (модель
46908), производства «TR di Turoni & c.Snc» (Италия). Он состоит из блока
индикации 1, зонда для измерении влажности 2 и зонда для измерения температуры почвы 3 (рисунок 3.1).
1 – блок индикации, 2 – зонд для измерения влажности,
3 – зонд для измерения температуры почвы
Рисунок 3.1 – Влагомер для почвы (модель 46908)
81
Перед измерением влажности проводилась градуировка прибора в следующей последовательности. Выбрали место на поле, затем установили в
почву зонд для измерения влажности на глубину 15 см, спрессовали почву вокруг зонда для создания хорошего контакта с сенсором деревянным бруском,
смочили почву около датчика (в радиусе 30 см) водой низкой электропроводимости (макс.500 микросименс), до тех пор, пока почва хорошо пропитается
(рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Смачивание почвы около датчика
Установили температурный зонд в почву (на дистанцию не менее 20 см
от зонда влажности) и нажали кнопку включения «ON», выбрали тип почвы
при помощи кнопки выбора (SELECT), после этого, при помощи винта повернули вправо триммер, до тех пор, пока дисплей не показал «100» Затем прибор
настроили на данный тип почвы.
После этого были проведены замеры влажности на поле различных
участков, при погружении зондов на глубину корнеплодов в трёхкратной повторности. По полученным результатам строили зависимости [111].
82
3.3 Методика определения влажности почвы на извлечённых корнеплодах
Влажность почвы при проведении исследований, определяли методом
термостатной сушки, высушивая пробы при температуре 105С до постоянного веса. Отношение массы удаленной влаги к первоначальной, выраженной
в процентах, является абсолютной влажностью почвы:
W 
mв
m  mпс
 100%  пв
 100% ,
mпв
mпв
(3.1)
где mпв – масса пробы до проведения сушки, кг;
mпс - масса пробы после проведения сушки, кг.
Для этого брали мерные ёмкости с почвой 1 и взвешивали их на технохимических весах 2 (рисунок 3.3) с точностью до 0,05—0,02 г и затем высушивали при температуре 105°. Высушивание почвы проводили до постоянного веса в течение 6—8 часов, после разогревания шкафа до 105°.
1 – мерные ёмкости, 2 – весы технохимические
Рисунок 3.3 – Определение влажности почвы методом высушивания проб
83
Мерные ёмкости с почвой после сушки закрывали крышками и охлаждали в эксикаторе, после чего взвешивали. Влажность почвы вычисляли в
процентах на сухую почву до первого знака после запятой [112].
3.4 Методика определения липкости почвы
Липкость почвы зависит от её структуры и влажности [113]. Для определения липкости пользуются приборами В.В. Охотина, Н.А. Качинского и др.
[113].
Наши исследования проводились при влажности почвы от 6 до 32% (рисунок 3.4) прибором аналогичным конструкции ВИСХОМ для определения
липкости почвы, методом отрыва штампа от поверхности почвы заданной
влажности.
Рисунок 3.4 – Взятие пробы почвы
Прибор (рисунок 3.5) представляет собой площадку 1, на которой закреплена стойка 5. На стойке 5 установлен кронштейн и механизм перемещения 6, который позволяет изменять положение кронштейна в вертикальной
плоскости по высоте. На кронштейне прикреплён тарированный динамометр
84
4, на который нанесены две шкалы измерений в Ньютонах и граммах. На площадке 1 установлен цилиндр 2, который заполняется почвой заданной влажности, куда помещался образец ворсины 3. Он представляет собой ворсину
треугольной формы, одной вершиной которого он закреплялся к динамометру.
В нерабочем положении пружина динамометра 4 не растянута (отметка
«0»), а штамп 3 прижат основанием к почве в цилиндре 2 (рисунок 3.5).
При этом использовались весы электронные лабораторные, печь и ёмкость с водой.
1-площадка, 2- цилиндр, 3-образец ворсины, 4- динамометр,
5- стойка, 6-механизм перемещения
Рисунок 3.5 – Прибор для определения липкости почвы к ворсине
85
В высушенную в печи почву и завешенную на весах добавляли заданное
количество воды и хорошо перемешивали. Затем образец почвы необходимой
влажности помещался в цилиндр 2 (см. рисунок выше) и проводилось измерение. Штамп 3 прижимался к образцу почвы, не заглубляясь в неё, выдерживался в нём 15…20 сек., затем при помощи механизма 6 кронштейн с закреплённым динамометром 4 поднимался вверх. Значение отрыва штампа 3 регистрировалось и заносилось в журнал. Опыт проводился в 4…6 кратной повторности с указанием максимального значения.
1-площадка, 2- цилиндр, 3-образец ворсины, 4- динамометр,
5- стойка, 6-механизм перемещения
Рисунок 3.6 – Схема прибора для определения липкости почвы к ворсине
Затем подготавливался образец другой влажности и опыт повторялся.
86
Липкость почвы определялась по формуле:
Рл 
Рi  Gшт
2
S шт , кг/м ,
(3.2)
где Рi – значение силы отрыва образца ворсины от почвы, кг;
Gшт – сила тяжести образца ворсины, кг;
Sшт – площадь контакта образца ворсины с почвой, м2.
3.5 Методика определения коэффициента внешнего трения почвы
по поверхности
Для определения коэффициента статического трения при скольжении
почвы разной влажности по исследуемому материалу, производились прибором аналогичным конструкции прибора ВИСХОМ (рисунок 3.7).
1 - станина, 2 - кронштейн, 3 – каретка с образцом почвы, 4 - динамометр, 5 механизм для перемещения каретки
Рисунок 3.7 – Общий вид прибора для определения коэффициента трения
87
Почва определённой влажности укреплялась на каретке 3, после чего её
перемещали по поверхности (полипропилен, лавсан) посредством механизма
5.
Пружинным динамометром 4 определяли сила, которая необходима для
преодоления силы трения Fтр.. Далее определяли коэффициент трения как отношение N (прижимающая сила) к силе трения Fтр..
На данной экспериментальной установке определяли коэффициент трения покоя, коэффициент трения движения (3.3).
f тр 
N
f
 0,8  f тр
Fтр , тр.дв.
(3.3)
1 - основание, 2 - стойка, 3 - каретка, 4 - динамометр, 5 - механизм перемещения
Рисунок 3.8 – Схема прибора для определения коэффициента трения
3.6 Методика определения диаметра корнеплодов
Средний диаметр корнеплода сахарной свёклы измерялся по видимой
линии наибольшего диаметра штангенциркулем ШЦ-II-250 с ценой деления
0,1 мм. Затем, все значения складывались и делились на количество их замеров, получая средний диаметр корнеплода.
88
Масса корнеплодов сахарной свёклы, определялась путем взвешивания
каждого корнеплода на весах с ценой деления 0,001 кг.
По результатам строили графики зависимости.
3.7 Методика определения загрязненности корнеплодов свёклы
Определение загрязненности корнеплодов проводилось в соответствие с
ГОСТ Р 53036-2008. Свекла сахарная. Методы испытаний, следующим образом. В поле при уборке (рисунок 3.9), брали извлеченные корнеплоды и укладывали их в корзину (вес которой известен).
Рисунок 3.9 – Определение загрязненности корнеплодов сахарной свёклы
Затем производили взвешивание. После взвешивания, корнеплоды извлекались из корзины и очищались от почвы, затем их вновь укладывали в
корзину и производили взвешивание. Загрязненность определяли по остаточной массе, используя формулу [84]:
З=
𝑚загр −𝑚очищ
𝑚загр
∙ 100%,
где mзагр – масса корзины с корнеплодами до очистки, кг;
mочищ - масса корзины с корнеплодами после очистки, кг.
По результатам строили графики зависимости.
(3.4)
89
3.8 Методика определения скорости удара, необходимого для отрыва почвы от ворсины
Для определения необходимой скорости удара для отрыва почвы от ворсины, был разработан и использован прибор состоящий, из площадки 1, стойки
2, маятника 5, и циферблата 6. На площадке 1 укреплялся образец ворсины 3 с
образцом почвы, определённой влажности и массы (рисунок 3.10).
1 – площадка, 2 – стойка, 3 – ворсина, 4 – часть витка пружины,
5 – маятник, 6 - циферблат
Рисунок 3.10 – Прибор для определения необходимой скорости удара при отрыве почвы от ворсины
Эксперимент проводился следующим образом. На площадку 1 прикрепляли ворсину 3 с образцом почвы определенной влажности и массы, отклоняли
90
маятник 5 с закреплённой частью витка пружины 4 на некоторый угол  и отпускали его. Значения угла отклонения маятника, при которых происходил отрыв образца почвы, заносились в журнал. Затем определяли скорость удара,
необходимую для отрыва образца почвы от ворсины 3, при встрече с ним части
витка пружины 4 по формуле Галилея:
𝑉у = √2 ∙ g ∙ 𝐻.
(3.5)
где g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2);
H – высота приложения удара, м.
Степень очистки определяли руководствуясь формулой загрязненности
корнеплодов (формула 3.4). В результате получена следующая зависимость:
Со =
𝑚загр −𝑚оч.сп.
𝑚загр−𝑚очищ
∙ 100%,
(3.6)
где 𝑚оч.сп. – масса пробы после очистки предложенным способом, кг.
Результаты исследований обрабатывались с использованием методов статистической оценки [93], [105], [111], [114], [115], [116], [117].
1 – площадка, 2 – стойка, 3 – ворсина, 4 – часть витка пружины,
5 – маятник, 6 - циферблат
Рисунок 3.11 – Схема прибора для определения скорости удара, необходимого для отрыва почвы от ворсины
91
3.9 Методика определения расстояния до места удара по ворсине
Для определения расстояния до места удара по ворсине, необходимого
для отрыва налипшей почвы, был использован тот же прибор (рисунок 3.10),
дополнительно оснащенный линейкой - 500 ГОСТ 427-75.
Эксперимент проводился следующим образом. На площадку 1 прикрепляли ворсину 3 с образцом почвы определенной влажности, отклоняли маятник 5 с закреплённой частью прутка 4 на некоторый угол  и отпускали его.
Регулировку расстояния производили, опуская или приподнимая закрепленный циферблат 6 на стойке 2 с помощью регулировочного винта, расположенного на стойке 2. Значения высоты (места) приложения ударного импульса
определяли по линейке и уголку, при которых происходил отрыв образца
почвы. Результаты обрабатывались по методике с использованием программы
Microsoft Excel 2013 [111], [117].
3.10 Методика исследования взаимодействия щеточного очистителя с
пружиной и определения степени очистки корнеплодов
Для определения степени очистки корнеплодов от почвы была изготовлена экспериментальная установка (рисунок 3.12). Она содержит сварную
раму 1, имеющую прутковый транспортер 5. Транспортер приводится в движение посредством двигателя 2, передающего крутящий момент через муфту
3 на редуктор 4. Редуктор 4 имеет на выходном валу цепную передачу, которая
передает вращающий момент на вал транспортера 5. Над транспортирующими
элементами установлены два приводных цилиндрических щеточных барабана
7 с эластичным ворсом. Барабаны 7 установлены в стойках 6 и приводятся в
движение посредством ременной передачи 8. Над первым щеточным барабаном расположена пружина 9.
Кроме того, стойки имеют отверстия, что позволяет изменять положение
92
прутков в вертикальной плоскости.
В процессе эксперимента, выкопанные корнеплоды транспортирующим
элементом подаются в зону действия приводных щеточных барабанов 7 с эластичным ворсом, которые совершают вращательное движение и очищают корнеплоды, расположенные на вальцах транспортера 5 и очищаются от налипшей почвы.
1 – рама, 2 – двигатель, 3 – муфта, 4 – редуктор, 5 – транспортер, 6 – стойка,
7 – щёточный барабан, 8 – ременная передача, 9 – пружина
Рисунок 3.12 – Экспериментальная установка для исследования взаимодействия щеточного очистителя с пружиной и определения степени очистки корнеплодов
Исследования производились для почвы влажностью ≈ 28% [17], для которой липкость является наибольшей. Экспериментально установлено, что ми-
93
нимально необходимая скорость удара ворса щётки для отделения почвы находится в пределах ≈ 2,5 м/с. Вместе с тем, максимальная скорость удара ворса
щётки должна составлять скорость, необходимую для отделения почвы максимальной липкости от пружины и не быть выше скорости резания, т. е. скорость при которой будет происходить разрушение ворса щётки.
1 – рама, 2 – двигатель, 3 – муфта, 4 – редуктор, 5 – транспортер, 6 – стойка, 7
– щёточный барабан, 8 – ременная передача, 9 – пружина
Рисунок 3.13 – Схема экспериментальной установки для исследования взаимодействия щеточного очистителя с пружиной и определения степени
очистки корнеплодов
94
3.11 Оптимизация параметров рабочего органа для очистки корнеплодов сахарной свеклы
Основной задачей нашего исследования является оптимизация параметров щеточного рабочего органа (скорость удара Vпр, расстояние до места удара
по ворсине h и диаметр проволоки пружины d) с целью минимизации содержания почвы (повышения степени очистки корнеплодов). Решение поставленной задачи получено методами планирования многофакторных экспериментов, статистической обработки опытных данных и поисковой оптимизации
[118], [119]. Для этого были отобраны параметр оптимизации и наиболее значимые факторы, влияющие на процесс степени очистки; определен план проведения экспериментальных исследований, и на базе полученных опытных
данных разработана математическая модель, на которой исследовалось влияние регулируемых факторов на выходной параметр процесса в стационарной
области факторного пространства.
Изменяя скорость удара, расстояние до места удара и диаметр проволоки пружины, можно оптимизировать технологический процесс очистки.
Удар должен быть такой, чтобы наиболее эффективно проходила очистка, но
с другой стороны, не происходило разрушение.
Параметры рабочего органа для очистки и выбранные уровни их варьирования в лабораторных экспериментах приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Факторы и уровни их варьирования при исследовании залипания
приводных цилиндрических щеток влажной почвой
№
п/п
Уровень и интервалы
варьирования
2
3
4
5
Верхний уровень (+)
Основной уровень (0)
Нижний уровень (-)
Интервал варьирования
х1 - скорость
удара Vуд, м/с
3,5
2
0,5
1,5
Факторы
х2 - расстояние
до места удара l,
м
0,099
0,066
0,033
0,033
х3 - диаметр проволоки пружины
d, м
0,006
0,004
0,002
0,002
95
Для проведения эксперимента использовали трехуровневый план второго порядка Бокса-Бенкина (таблица 3.2), т.к. он предполагает варьирование
факторов для описания поверхности отклика полиномом второго порядка
только на трех уровнях. В результате реализации опытов по принятой методике нами было получено уравнение регрессии в кодированном виде.
Таблица 3.2 – План эксперимента в кодированном и натуральном виде
План эксперимента в кодированном
виде
N опыта
8
9
12
2
13
15
11
7
5
3
14
4
1
10
6
х1
х2
х3
1
0
0
1
0
0
0
-1
-1
-1
0
1
-1
0
1
0
-1
1
-1
0
0
-1
0
0
1
0
1
-1
1
0
1
-1
1
0
0
0
1
1
-1
0
0
0
0
-1
-1
План эксперимента в натуральном
виде
Диаметр
Скорость Расстояние
проволоки
удара Vпр,
до места
пружины
м/с
удара l, м
d, м
3,5
2
2
3,5
2
2
2
0,5
0,5
0,5
2
3,5
0,5
2
3,5
0,066
0,033
0,099
0,033
0,066
0,066
0,033
0,066
0,066
0,099
0,066
0,099
0,033
0,099
0,066
0,006
0,002
0,006
0,004
0,004
0,004
0,006
0,006
0,002
0,004
0,004
0,004
0,004
0,002
0,002
В качестве отклика принималась степень очистки корнеплодов (полная
очистка - 100%).
Для определения степени загрязненности пользовались методикой, описанной в подразделе 3.7, используя формулу (3.4). Степень очистки корнеплодов определялась по формуле (3.6).
Порядок опытов с целью снижения систематической ошибки рандомизировался по таблице случайных чисел [106].
96
Необходимое количество повторности опытов определяли по таблице
[106], при доверительной вероятности 0,95 и предельной ошибке E=±3σ.
Полученные результаты были обработаны с использованием программы
«STATISTICA» и представлены в следующем разделе.
97
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
4
ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ
4.1 Результаты определения некоторых физико-механических
свойств почвы
Исследования проводились на почвах Центрального Черноземья РФ, в
частности в ООО «Агро Виста Тамбов» и ООО «Ивушка», в соответствие с
планом экспериментов. Период проведения включал сезон уборки корнеплодов, т.е. сентябрь-октябрь, когда почва имеет наибольшую влажность и липкость соответственно.
Зафиксированные результаты опытов, обработаны по методике, представленной в главе 3.
Распределение липкости pn в зависимости от влажности почвы представлено на рисунке ниже (рисунок 4.1).
Коэффициент трения почвы по стали с учётом
липкости почвы
2,5
y = -2E-05x4 + 0,0014x3 - 0,0223x2 + 0,153x
R² = 0,8731
2
1,5
1
0,5
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
Влажность почвы,%
fтр
Полиномиальная (fтр)
Рисунок 4.1 - Зависимость коэффициента трения (с учётом липкости) от
влажности почвы
98
Анализ зависимости (рисунок 4.1) коэффициента трения от влажности
показывает, что коэффициент трения с учётом липкости начинает увеличиваться при влажности почвы от 12% и достигает максимальных значений при
влажности 24-28%. Затем происходит его уменьшение, так как количество
влаги увеличивается.
0,12
Липкость почвы, кг/см^2
0,1
y = -1E-06x4 + 6E-05x3 - 0,0006x2 + 0,0009x
R² = 0,8982
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
Влажность почвы,%
Липкость почвы, кг/см^2
Полиномиальная (Липкость почвы, кг/см^2)
Рисунок 4.2 - Зависимость липкости почвы от влажности почвы
Липкость почвы и её коэффициент трения по стали зависят от влажности
почвы и от механического состава. При проведении исследований выяснилось,
что поле содержит почву с различным механическим составом (особенно заметно, если поле имеет уклон). При определения физико-механических
свойств почвы в поле, пробы брались с нескольких её участков.
Анализируя зависимости (рисунок 4.2) видно, что при увеличении влажности почвы, липкость и коэффициент трения увеличивается до максимального значения, а затем уменьшается, причём, липкость почвы начинает проявляться при влажности более 9-12 %. При меньшей влажности (менее 9%), прилипания почвы к поверхности рабочих органов не происходит.
99
4.2 Результаты определения некоторых физико-механических
свойств корнеплодов
Для исследований нами были выбраны районированные гибриды сахарной свеклы: ХМ 1820 (фирма «Сингента») и РМС – 120 (Россия).
Распределение диаметров корнеплодов от их количества представлено
Количество корнеплодов данного диаметра от
общего количества корнеплодов, %.
на рисунке 4.3.
70
y = 2E-06x4 - 0,0011x3 + 0,2003x2 - 14,803x + 375,91
R² = 0,9989
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Диаметр корнеплода, мм
Количество корнеплодов от общей массы, %
Полиномиальная (Количество корнеплодов от общей массы, %)
Рисунок 4.3 – Распределение размеров корнеплода (диаметра) в зависимости
от их общего количества в выборке
Анализ зависимости (рисунок 4.3) показывает, что диаметр корнеплодов
изменяется в пределах от 80 до 220 мм. Большинство из них имеют диаметр от
100 до 180 мм.
Как видно, размеры корнеплодов достаточно велики и при воздействии
на них такими рабочими органами, как шнековые вальцы, роторы и другие,
возможны их сильные повреждения и недостаточная эффективность очистки
[120].
100
4.3 Результаты определения загрязненности корнеплодов свёклы
Загрязненность корнеплодов почвой при уборке в поле может иметь различные значения.
При обработке результатов замеров, пользовались методами математической статистики [115]. На основании полученных результатов, нами была
получена гистограмма распределения (рисунок 4.4), на которой показана зависимость загрязненности (в %) от общего количества замеров (частота).
Количество корнеплодов в данном
диапазоне загрязненности,%
30
25
20
y = -0,0114x4 + 0,1121x3 + 0,1968x2 - 0,5288x
R² = 0,7978
15
10
5
0
5
10,1
15,2
20,3
25,4
30,5
35,6
40,7
45,8
50,9
56
Загрязненность,% при средней влажности почвы W=24%
Рисунок 4.4 – Загрязненность корнеплодов сахарной свёклы
При проведении замеров количество корнеплодов, имеющих загрязненность 5…10% составила не более 1% от общей массы корнеплодов (рисунок
4.4). Корнеплоды загрязненностью 15…20% составили порядка 3% от общей
массы корнеплодов. Далее загрязненность увеличивается до 25,4; 30,5 и 35,6%
о составляет соответственно 9, 12 и 17% от общей массы. Основную часть общей массы исследуемой выборки – 28% имеют корнеплоды с загрязненностью
порядка 40,7%. Далее количество корнеплодов, имеющих загрязненность
свыше 45,8% снижается (рисунок 4.4).
101
Анализ зависимости графика (рисунок 4.4) показывает, что загрязненность корнеплодов сахарной свёклы изменяется от 5 до 56%. Набольшее количество корнеплодов имеет загрязненность ~ 40%.
4.4 Результаты определения скорости удара
Изменение скорости удара зависит от высоты расположения витка пружины, при которой происходило отпускание маятника (рисунок 4.5).
Скорость удара витка пружины об ворсину, м/с
4,0
3,5
y = -119,1x4 + 169,95x3 - 85,523x2 + 21,512x
R² = 0,9938
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Расстояние (высота) от витка до места удара, м
Скорость удара Vу, м/с
Полиномиальная (Скорость удара Vу, м/с)
Рисунок 4.5 – Зависимость скорости удара от высоты расположения витка до
места удара
Как видно из графика (рисунок 4.5), при увеличении высоты расположения центра масс маятника, увеличивается и скорость удара по ворсине. Это
изменение происходит от 0 до 0,6 м, т.е. при максимальной высоте расположения витка от места удара.
102
Анализ зависимости графика (рисунок 4.5) показывает высокий уровень
корреляции экспериментальной кривой и теоретической (R2=0,99) и описывается полиномом 4-й степени.
Дальнейшие результаты эксперимента показывают (рисунок 4.6), при
увеличении скорости удара по ворсине, увеличивается степень очистки ворса.
100
y = 3,0714x2 + 21,428x
R² = 0,9439
Степень очистки ворсины, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Скорость удара витка пружины об ворсину, м/с
Степень очистки ворса, %
Полиномиальная (Степень очистки ворса, %)
Рисунок 4.6 – Зависимость степени очистки ворса от скорости удара
При скорости, равной от 0 до 1,7м/с степень очистки увеличивается
плавно от 0 до 40%. Далее при скорости более 1,7м/с, имеет место более резкое
увеличение степени очистки – до 65% и выше. Далее при скорости более 2,5
м/с – наблюдается уже полная степень очистки ворса щётки (рисунок 4.6).
4.5 Результаты определения места приложения удара
Экспериментальные исследования определения места удара по ворсине,
полностью согласуются с теоретическими исследованиями, т.е. удар должен
приходится на расстоянии 2/3 длины ворсины от места крепления её на барабане. Изменение степени очистки ворсины от расстояния до места удара представлено на графике (рисунок 4.7).
103
100
90
Степень очистки ворсины,%
80
70
60
y = -0,0367x2 + 3,841x
R² = 0,9471
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
Расстояние от места крепления ворсины до места удара, мм
Степень очистки ворса, %
Полиномиальная (Степень очистки ворса, %)
Рисунок 4.7 – Зависимость степени очистки ворса от места крепления ворсины до места удара
Как видно из зависимости, степень очистки ворсины изменяется по
квадратичному уравнению и имеет высокий коэффициент корреляции с теоретической кривой. Анализ зависимости (рисунок 4.7) показывает, что наиболее
эффективное очищение ворсины от почвы происходит при приложении удара
на расстоянии от 50 до 70 мм от места крепления ворсины при длине ворсины
100 мм.
Для практического применения, используя данные графиков (рисунки
4.5, 4.6, 4.7), зависимость степени очистки ворсины от скорости удара витка
пружины по ней, от расстояния (высоты) витка до места удара, расстояния от
места крепления ворсины до места удара, составлена номограмма для определения оптимальных параметров места удара по ворсине (рисунок 4.8).
104
Рисунок 4.8 – Номограмма для определения оптимальных параметров места
удара по ворсине (выделенная зона для степени очистки 90…98%)
4.6 Результаты лабораторных испытаний установки для очистки
корнеплодов сахарной свеклы
При проектировании и изготовлении установки было проведено моделирование технологического процесса.
При проведении испытаний выявлено, что применение активного очистителя в виде пружины одна сторона которой совершает возвратно-поступательное движение – даёт эффективный результат, соответствующий выполнению агротехнических требований, однако её использование усложняет конструкцию очистителя и снижает её надёжность. Поэтому были проведены дополнительные испытания с установкой пружины, концы который были закреплены в раме и в дальнейшем заменой её на статичный металлический пруток.
105
В ходе предварительных лабораторных исследований экспериментальной установки выявлено, что по основным агротехническим показателям качества выполнения технологического процесса очистки, установка соответствует агротехническим требованиям (рисунок 4.9).
1600,0
y = 0,0021x6 - 0,1146x5 + 2,4187x4 - 24,292x3 + 115,81x2 - 181,24x + 639,62
R² = 0,9368
Масса корнеплода, г
1400,0
1200,0
y = 0,0051x6 - 0,2902x5 + 6,4033x4 - 68,46x3 + 360,88x2 - 798,46x + 1026,8
R² = 0,8592
y = 0,0049x6 - 0,2773x5 + 6,1232x4 - 65,598x3 + 347,35x2 - 775,91x + 999,95
R² = 0,8495
1000,0
800,0
600,0
400,0
200,0
12
45
29
45
31
20
29
11
33
15
36
34
16
21
14
17
42
12
Загрязненность, % при средней влажности почвы W=24%
Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием пружины, одна сторона
которой совершает возвратно-поступательное движение, г
Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием пружины, концы
который были закреплены в раме, г
Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием прутка, г
Полиномиальная (Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием
пружины, одна сторона которой совершает возвратно-поступательное движение, г)
Полиномиальная (Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием
пружины, концы который были закреплены в раме, г)
Полиномиальная (Масса очищенных корнеплодов щёточным очистителем с использованием
прутка, г)
Рисунок 4.9 – Изменение загрязненности вороха корнеплодов сахарной
свеклы от почвы при очистке щеточным очистителем с различными очищающими устройствами
Как показали предварительные эксперименты, применение активного
очистителя, выполненного в виде пружины одна сторона которой совершает
возвратно-поступательное движение – эффективно, однако энергетически затратнее, чем использование пружины, концы который были закреплены в раме
или использование прутка.
106
Поэтому для дальнейшего исследования мы используем пружину,
концы который были закреплены в раме и определяем:
- скорость удара;
- расстояние до места удара по ворсине;
- диаметр проволоки пружины.
Экспериментальные исследования были проведены на полях хозяйств
Тамбовской области как ООО «Агро Виста Тамбов» и ООО «Ивушка» о чём
свидетельствуют акты внедрения.
Основные результаты экспериментальных исследований автора опубликованы в различных трудах институтов [70], [121], [122], [123], [124], [125],
[126] [127], [128], [129], [130], [131] и научных изданиях, рекомендованных
ВАК РФ [132], [133].
Далее нами была проведена оптимизация параметров рабочего органа.
4.7 Результаты определения оптимальных значений параметров рабочего органа для очистки
Исследования проводились на урожайно-сахарных типах гибридов сахарной свёклы: ХМ-1820 (фирма «Сингента», Швейцария) и РМС – 120 (Россия).
В начале процесса происходит загрязнение щетки влажной почвой. Затем, по мере работы, влажная почва смещается на ворсинах к оси вращения
барабана, где в данный момент происходит удар о виток пружины, от чего
почва удаляется с поверхности ворсин и процесс повторяется.
Зафиксированные результаты опытов обработаны по методике, представленной в главе 3 и [119]. Проверка однородности проводилась по критерию Кохрена.
107
Далее нами представлены результаты экспериментальных исследований
и оптимизации конструктивных и режимных параметров щеточного очистителя, выполненные в программе «STATISTIСA 10».
Рисунок 4.10 – Зависимость степени очистки от скорости удара и расстояния
до места удара
Проанализировав полученные данные поверхностей отклика (рисунок
4.10), можно установить, что при увеличении скорости удара от 2,9 м/с и расстоянии до места удара от 0,035 до 0,058 м, степень очистки корнеплодов увеличивается от 90%.
108
Рисунок 4.11 – Зависимость степени очистки от скорости удара и диаметра
проволоки пружины
Проанализировав полученные данные поверхностей отклика (рисунок
4.11), можно установить, что при скорости удара от 2,5 до 4,5 м/с и диаметре
проволоки пружины от 0,002 до 0,005 м степень очистки наилучшая и составляет более 90%.
109
Рисунок 4.12 – Зависимость степени очистки от расстояния до места удара и
диаметра проволоки пружины
Проанализировав полученные данные поверхностей отклика (рисунок
4.12), можно установить, что при расстоянии до места удара от 0,049 до 0,057
м и диаметре проволоки пружины от 0,0027 до 0,0042 м, степень очистки корнеплодов составляет более 90%.
110
Таким образом, согласно результатов, полученных при анализе двух и
трехмерных поверхностей откликов, качественное выполнение технологического процесса, т.е. степень очистки корнеплодов, достигается при следующих
значениях: расстояние до места удара 35…58 мм, скорость удара 2,9…4,2 м/с
и диаметр проволоки пружины 2,7…4,2 мм.
В результате применения статистических процедур компьютерной программы Statistica 10.0, рассчитаны оценки β-коэффициентов нелинейной регрессии при кодированных x1, x2, x3 и натуральных Vпр, l, d переменных, их
стандартные ошибки, t-критерии Стьюдента для проверки значимости компонентов регрессии, уровни вероятности p, верхние и нижние 90%-ные доверительные границы.
Используя полученные методом наименьших квадратов оценки коэффициентов регрессии, запишем уравнение для степени очистки корнеплодов от
кодированных x1, x2, x3 переменных:
y=70,25+21x1–29,5x2–2x3+5,8x12+17,37x22+1,87x32–11,5x1x2–0,5x1x3–0,5x2x3
Наиболее значимое влияние на степень очистки корнеплодов оказывает
скорость удара (коэф. регрессии = 21), расстояние до места удара (коэф. регрессии = 29,5) и квадратичный член регрессии x22 (коэф. регрессии = 17,37),
коэффициенты регрессии которых, являются наибольшими среди коэффициентов уравнения. Также видна значимость скорости удара от расстояния до
места удара (коэф. регрессии = 11,5).
4.8 Выводы по разделу
1. Экспериментальными исследованиями установлено влияние влажности
на липкость почвы к ворсине, скорости удара и расстояния до места
удара по ворсине на её степень очистки.
2. Результаты испытаний показали, что при исходной загрязненности кор-
111
неплодов 37,8% и средней влажности почвы 24%, применение очистителя выполненного в виде пружины, изготовленной из стали 60С2А
жесткостью 32,5 Н/м и шагом витков, позволяет снизить загрязненность
до 7%.
3. При проведении исследований определены оптимальные значения конструктивных параметров: диаметр щётки – 260 мм, диаметр пружины –
130 мм, диаметр проволоки пружины – 2,7…4,2 мм, расстоянии до места
удара 38…58 мм (при длине ворсин 100 мм), скорость удара 2,9…4,2 м/с.
4. Исследования позволили установить, что при данных оптимальных значениях параметров очищающего устройства, степень очистки корнеплодов составила около 90%.
112
5
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
УСТРОЙСТВА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАЛИПШЕЙ ПОЧВЫ СО
ЩЕТОЧНОГО ОЧИСТИТЕЛЯ ПРИ УБОРКЕ В УСЛОВИЯХ
ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
5.1 Эффективность применения устройства для очистки щеточного
очистителя от налипшей почвы при уборке в условиях повышенной влажности
Срок уборочных работ составляет в среднем 40-50 календарных дней.
Из которых, в течение 10-20 дней уборку сахарной свеклы не проводят, из-за
повышенной влажности почвы, в силу неэффективности сепарирующего
устройства свеклоуборочной техники [63]. В результате уборочные работы затягиваются, а хозяйства вынуждены начинать их в более ранние сроки, когда
сахарная свёкла ещё не достигла своей технической спелости. При этом происходят потери сахара до 12%.
Так как в сентябре-октябре происходит интенсивный рост корнеплодов
и увеличение их сахаристости, то уменьшение сроков уборки и перенесение
их на более позднее время, позволяет хозяйствам увеличить выход сахара с
единицы площади [63].
Предлагаемые нами очищающие рабочие органы позволяют продолжать
уборочные работы в сложных условиях (при повышении влажности почвы до
32%).
Такие условия занимают до трети продолжительности уборочных работ.
Для определения экономической эффективности разрабатываемой новой техники или технологии требуется её сравнение, т.е. новой (экспериментальной) установки с лучшей из аналогичных.
113
При проведении полевых испытаний использовалась экспериментальная установка, снабженная рабочими органами с оптимальными значениями
параметров (рисунок 5.1).
Опытно-производственную проверку разработанного устройства проводили в ООО «Агро Виста Тамбов» Никифоровского района Тамбовской области и КФХ «Ивушка» Петровского района Тамбовской области. Почва – выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем, влажность 25…28%.
Рисунок 5.1 – Производственные испытания устройства для удаления почвы
со щеточного очистителя при уборке сахарной свеклы в условиях повышенной влажности
Полевые испытания показали также значительное снижение безвозвратных потерь плодородного слоя почвы и гумуса у экспериментальных рабочих
органов по сравнению с серийными, а также сохранение их работоспособности
при влажности почвы до 32%.
Экономическая оценка выполнена по общепринятым методикам [134],
[135], [136], [137], [138] и опубликована [139].
114
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований был выполнен расчет (таблица 5.1).
Таблица 5.1 – Результаты полевых испытаний и исходные данные для расчета
Показатель
Исходная загрязненность
корнеплодов, %
Загрязненность корнеплодов, %
Степень очистки корнеплодов, %
Базовый
вариант
влажность
почвы, %
Экспериментальный вариант
влажность
почвы, %
Снижение загрязненности
и потерь корнеплодов
влажность почвы, %
28
32
28
32
28
32
25
30
25
30
-
-
19
23
11
15
4
8
81
77
89
85
-
-
5.2 Энергетическая эффективность применения устройства для
очистки эластичных прутков щеточных очистителей при
уборке в условиях повышенной влажности почвы
Оценка эффективности применения щеточных очистителей предлагаемой
конструкции проводилась на основе биоэнергетической оценки производственных процессов [140], [141].
Критерий эффективности энергетических затрат – это коэффициент энергетической эффективности [140], [141].
К = П/Е,
(5.1)
где П – количество энергии, которое содержится в конечном продукте, МДж,
Е – количество энергии, которое затрачивается на производство продукции,
МДж.
При производстве продукции растениеводства (в нашем случае) уравнение (5.1), выразим в следующем виде
115
К
Qпр  апр
Е
,
(5.2)
Где ∆Qпр – прирост продукции при проведении модернизации, кг,
апр – энергетический эквивалент продукции, МДж/кг,
∆Е – количество энергии, которое затрачено на модернизацию, МДж.
Энергозатраты на модернизацию техники (свеклоуборочного комбайна),
определяют из выражения:
∆Е = Gк∙ ак+ аа+ атр,
(5.3)
где Gк – масса щеток с пружиной и приводом, Gк = 240 кг,
ак – энергозатраты на производство, ак = 120 МДж/кг,
аа и атр – отчисления на амортизацию, ремонт и техническое обслуживание, аа = 12,5 %, атр =10,3%.
∆Е = 240∙120 + 3600 + 2966 = 329040 МДж.
Экономический эффект складывается из повышения качества очистки
(снижение загрязненности), уменьшения повреждаемости корнеплодов, снижения потерь плодородного слоя почвы и гумуса.
Количество дней проведения уборочных работ находится из соотношений:
Д=Др+Дп
Дн=Др+Дп·к
где: Др - количество рабочих дней, (дн.);
Дп – количество дней при которых происходит простой техники из-за неблагоприятных погодных условий, (дн.);
Дн – количество дней проведения уборочных работ с применением модернизированных рабочих органов, (дн.);
к – коэффициент, учитывающий повышение работоспособности уборочной техники после её модернизации.
Количество рабочих дней находим из выражения
Др 
F
W
(5.4)
116
где: F - площадь, под сахарной свеклой, (га);
W –производительность агрегата (дневная), (га/см);
Сокращение сроков проведения уборочных работ находим из разности:
∆Д
=Д–Дн
Прирост урожая от сокращения сроков уборки находим из разности
∆Q
= Qб – Qн
(5.5)
где Qб и Qн - урожайность корнеплодов на единицу посевной площади
соответственно в базисном и отчетном периодах.
Экономия средств от прироста урожая
ЭU= ∆Q ·αп
(5.6)
где αп – энергосодержание корнеплодов, αп = 2,5 МДж/кг.
Полученные данные представлены в таблице 5.2
Таблица 5.2 - Энергетический эффект от сокращения сроков уборки, МДж
Урожайность
культуры, т/га
48,0
51,2
52,5
Площадь, га
100
100
100
Валовой
сбор, т
4800
5120
5250
Сокращение срока
уборки, дней
5
5
5
Экономия
средств, МДж
20250
29250
35250
Таблица 5.3 - Снижение затрат энергии от применения модернизированных
очищающих рабочих органов, МДж
Экономия, МДж.
от повыот снижения поот снижения зашения
вреждаемости
грязненности
урожая
корнеплодов
корнеплодов
48,0
20250
180000
45000
51,2
29250
260000
65000
52,5
35250
320000
80000
Подставляя полученные значения в формулу (5.1), получаем
Урожайность культуры т/га
К48,0 = 832500/329040 = 2,53
К51,2 = 1202500/329040 = 3,65
К52,5 = 1472500/329040 =4,48
общая
832500
1202500
1472500
117
Срок окупаемости модернизации системы очистки свеклоуборочного
комбайна определяем, как величину, которая обратна удельной экономической эффективности (1/К).
Используя равенство 1кВт∙ч = 3,6 МДж [141] и подставив цены на электроэнергию, можно перевести энергетические показатели в рубли.
Результаты расчета представлены в таблице 5.4.
Анализ результатов экономической эффективности применения устройства для очистки щеточного очистителя от налипшей почвы, показывает, что
его использование при уборке в условиях повышенной влажности является эффективным, так как коэффициент энергетической эффективности больше единицы. Было установлено также, что коэффициент энергетической эффективности увеличивается с ростом урожайности культуры.
Таблица 5.4 - Экономическая эффективность применения предложенного
устройства для очистки корнеплодов
ОЧИЩАЮЩИЙ РАБОЧИЙ
ОРГАН
ПОКАЗАТЕЛЬ
Базовый
Экспериментальный
100
100
Себестоимость модернизации, руб.
0
283340
Сокращение сроков уборки, дней
0
5
0
7099…12557
0
709937…1255715
0
2,53…4,48
-
0,4…0,22
Площадь, га.
Удельная экономическая эффективность, руб./га.
Экономический эффект, руб.
Коэффициент энергетической эффективности.
Срок окупаемости, лет.
Срок окупаемости модернизированных рабочих органов составляет
0,4…0,22 года, в зависимости от урожайности корнеплодов.
118
5.3 Расчет затрат на перевозку корнеплодов сахарной свеклы и
определение потерь плодородного слоя почвы и гумуса
Загрязненность корнеплодов после уборки значительно отражается на
величине выручки от реализации сахарной свёклы, сданной на сахарный завод.
В таблице 5.5 представлена величина недополученной прибыли от реализации корнеплодов, вследствие их загрязненности.
Таблица 5.5 – Результаты расчета недополученной прибыли из-за загрязненности корнеплодов почвой
Показатель
1. Средняя урожайность корнеплодов, т/га
2. Потери от загрязненности корнеплодов, %
3. Потери от загрязненности корнеплодов, т
4. Цена реализации 1 т корнеплодов, тыс. руб.
5. Недополученная выручка, тыс. руб./га
Значение показателя
50
10
5
1,6
0,8
Анализируя данные таблицы 5.5, можно сделать вывод, что при загрязненности корнеплодов в пределах 10%, недополученная выручка от их реализации составит 0,8 тыс.руб./га.
Произведем расчет затрат на перевозку корнеплодов сахарной свёклы после уборки с использованием и без использования предлагаемого очищающего
устройства.
Исходные данные для расчёта представлены в таблице 5.6.
Применение разработанного устройства снижает загрязненность до 70%
по сравнению с серийными моделями уборочных машин. Следовательно, загрязненность корнеплодов свеклы составит 3%.
Количество рейсов для вывоза выращенного урожая с 1 га можно рассчитать по формуле:
𝑛=
𝑈ср
𝑞
(5.8)
119
После подстановки найдём n ≈ 1,67 рейсов.
Таблица 5.6 – Исходные данные для расчета (по данным на 2014 год)
Показатель
Средняя урожайность сахарной свеклы, т/га
Грузоподъемность автомобиля с прицепом, т
Среднее расстояние перевозок, км
Стоимость перевозки 1 тонны корнеплодов на расстояние
1 км, руб.
Средняя стоимость перевозки 1 тонны корнеплодов, руб.
Загрязненность корнеплодов без применения разработанного устройства, %
Среднее содержание гумуса в черноземной почве, %
Условное обозначение
Uср
q
L
Значение
50
30
15
С
5
С1т
75
З
10
z
6
Неэффективные затраты на транспортировку урожая с 1 га без использования предложенного устройства составят
З = 𝐶1т ∙ 𝑚 ∙ 𝑛
(5.9)
где m – вынос почвы с урожаем корнеплодов при загрязненности 10%,
т/га: без использования предложенного устройства – mвын = 5 т/га; с использованием разработанного устройства – mочист = 1,5 т/га.
Вынос гумуса с 1 га при уборке и транспортировке урожая определяется
по формуле:
𝑀гум = 𝑚 ∙ 𝑧
(5.10)
Результаты расчёта представлены в таблице 5.7
Таблица 5.7 – Результаты расчета
Показатель
Вынос почвы с урожаем корнеплодов при загрязненности
10%, т/га
Неэффективные затраты на
транспортировку урожая,
руб./га
Вынос гумуса при транспортировке урожая, т/га
Значение показателя
без использования предло- с использованием разрабоженного устройства для
танного устройства для
очистки
очистки
5
1,5
626,3
187,9
0,3
0,09
120
5.4 Выводы по разделу
1. Результаты производственных испытаний устройства для удаления
налипшей почвы со щёточного очистителя показали, что при очистке корнеплодов сахарной свёклы с исходной загрязненностью 25…30% и влажностью
почвы 28…32%, степень очистки корнеплодов составила 85…89%.
2. Результаты экономического и энергетического анализа показали, что
применение устройства для очистки эластичных прутков приводных цилиндрических щеток при повышенной влажности позволило сократить сроки
уборки на 5 дней, при этом экономия энергетических средств от прироста урожая составит 20250…35250 МДж.
3. Применение разработанного устройства для очистки корнеплодов
позволит
получить
годовой
экономический
эффект
в
пределах
709937…1255715 руб., при сроке окупаемости 0,4…0,22 года.
4. Использование предложенного устройства позволит снизить безвозвратные потери плодородного слоя почвы с 5 до 1,5 т/га, гумуса с 0,3 до 0,09
т/га и снизить неэффективные затраты на транспортировку урожая с 626,3 до
187,9 руб./га.
121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ известных очищающих рабочих органов, применяемых на серийных образцах свеклоуборочных машин, показал, что при уборке сахарной
свеклы в неблагоприятных погодных условиях снижаются качественные показатели работы очистки уборочных машин. Уточненная классификация рабочих органов позволили разработать способ для очистки корнеплодов от налипшей почвы (патент РФ №2400048) и предложить конструктивно-технологическую схему устройства для удаления налипшей почвы с барабанных щеточных
очистителей, удовлетворяющего агротехническим требованиям.
2. Теоретические исследования процесса налипания почвы на ворсину и
рабочий процесс очистки корнеплодов позволили разработать щеточный очиститель и устройство в виде пружины для удаления с него налипшей почвы
при уборке в условиях повышенной влажности. Получены аналитические зависимости для определения:
- сил, действующих на пружину со стороны вращающейся щётки с учетом физико-механических свойств и конструктивных параметров ворса;
- диаметра ворсины щеточного очистителя, при котором она очищается
в результате контакта с витком пружины;
- скорости удара ворсины по витку пружины, необходимой для очистки
её от налипшей почвы;
- силы трения при контактном взаимодействии между ворсиной и витком пружины;
- диаметра пружины в зависимости от приложенной нормальной силы.
3. Экспериментальными исследованиями установлено влияние влажности на липкость почвы к ворсине, скорости удара и расстояния до места удара
по ворсине на её степень очистки. Результаты испытаний показали, что при
исходной загрязненности корнеплодов 37,8% и средней влажности почвы
24%, применение очистителя выполненного в виде пружины, изготовленной
122
из стали 60С2А жесткостью 32,5 Н/м и шагом витков 35 мм, позволяет снизить
загрязненность до 7%.
4. При проведении экспериментальных исследований определены оптимальные значения конструктивных параметров установки: диаметр щётки –
260 мм, диаметр пружины – 130 мм, диаметр проволоки пружины – 2,7…4,2
мм, расстоянии до места удара 35…58 мм (при длине ворсин 100 мм), скорость
удара 2,9…4,2 м/с. Исследования позволили установить, что при данных оптимальных значениях параметров очищающего устройства, степень очистки
корнеплодов составила около 90%.
5. Результаты производственных испытаний устройства для удаления
налипшей почвы со щёточного очистителя показали, что при очистке корнеплодов сахарной свёклы с исходной загрязненностью 25…30% и влажностью
почвы 28…32%, степень очистки корнеплодов составила 85…89%. Применение разработанного очищающего устройства позволит получить годовой экономический эффект в размере 709 937…1 255 715 руб. при сроке окупаемости
0,4…0,22 года, снизить неэффективные издержки на 438,4 руб./га и снизить
безвозвратные потери плодородного слоя почвы с 5 до 1,5 т/га, гумуса с 0,3 до
0,09 т/га.
Рекомендации. Применение разработанного очищающего устройства
позволит: обеспечить уборку в неблагоприятных погодных условиях, повысить эффективность грузоперевозок и снизить потери урожая, уменьшить
нагрузку на машины и снизить расход воды при мойке и переработке сахарной
свеклы из-за уменьшения содержания почвенных примесей.
Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров щеточных очищающих устройств на стадии проектирования, в учебном процессе – студентами, аспирантами и научными сотрудниками.
123
Перспектива дальнейшей разработки темы: совершенствование технологий и средств механизации очистки сахарной свеклы при уборке в неблагоприятных погодных условиях.
124
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гуреев, И.И. Инновационный опыт производства сахарной свёклы в Центрально-Чернозёмном регионе/ И.И. Гуреев, Е.Л. Ревякин. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. – 140с.
2. Шпаар, Д. Сахарная свёкла (Выращивание, уборка, хранение)/Д. Шпаар, Д.
Дрегер, А. Захаренко и др.; под общ. ред. Д. Шпаара. – М.: ИД ООО «DLV
АГРОДЕЛО», 2006. – 315с.
3. Аванесов, Ю. Б. Уборка сахарной свеклы в сложных условиях/ Ю.Б. Аванесов, В.И. Бессарабов, Н.М. Зуев. - М. : Колос, 1983. - 159 с.
4. Патент 2095961 Российская Федерация, МПК7 A01D33/08, A01D33/00.
Устройство для отделения примесей от корнеплодов / / Кривогов Н.И.; Аванесов Ю.Б.; Дохин И.Е.; Пайкин М.М.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского
хозяйства - 95111445/13; заявл. 04.07.1995 опубл. 20.11.1997, Бюл. №31. –
6 с.: ил.
5. Волосевич, Н.П. Интенсификация технологических процессов уборки столовых и кормовых корнеплодов: Учеб. пособие / Н.П. Волосевич, В.К. Полянин; Сарат. ин-т механизации сел. хоз-ва им. М.И. Калинина; Сарат. с/х
ин-т им. Н.И. Вавилова. Саратов, 1991. – 20с.
6. Волосевич, Н.П. Разработка технологического процесса, конструкций и
теоретических основ крупноячеистых сепараторов корнеплодов / автореф.
дис. … д-ра техн. наук: 05.20.01/Волосевич Николай Петрович – Челябинск,
1992. – 42с.
7. Никитин А.Ф. Влияние сортовых особенностей на потери урожайности от
повреждения корнеплодов/ А.Ф. Никитин // Сахарная свекла. -2008.-№8.С.34-35.
8. Никитин А.Ф. Зарубежные свеклокомбайны в Черноземье / А.Ф. Никитин
// Сахарная свекла. -2004.-№1.-С.26-28.
9. Никитин А.Ф. Оптимальные сроки уборки / А.Ф. Никитин и др. //Сахарная
125
свёкла,- 1993.- № 5.- С. 16-18.
10. Никитин А.Ф. Потери урожая от повреждения головок корнеплодов во
время уборки / А.Ф. Никитин // Сахарная свекла. -2008.-№9.-С.32-34.
11. Никитин А.Ф. Уборка сахарной свеклы / А.Ф. Никитин // Сахарная свекла.
-2004.-№ 7.-С.35.
12. Никитин А.Ф. Ширина междурядий и продуктивность корнеплодов / А.Ф.
Никитин, A.M. Парфёнов // Сахарная свёкла. - 2008.- № 10.- С.30-32.
13. Погорелый, Л.B. Инженерные методы испытания сельскохозяйственных
машин / Л.B. Погорелый. К.: Техшка, 1981. — 176 с.
14. Погорелый, Л.B. Технологические и технические основы совершенствования механизированных процессов уборки сахарной свеклы: автореферат
дис. д-ра техн. наук: 05.20.01/Погорелый Л.В. — К.: УСХА, 1974. - 41 с.
15. Погорелый, Л.B. Сравнительный анализ и тенденции развития свеклоуборочных машин / Л.B. Погорелый, В.В. Брей // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1975. — №10. — С. 21 — 24.
16. Погорелый, Л.B. Физико-механические свойства корней сахарной свеклы
в связи с механизацией процессов их уборки / Л.B. Погорелый, В.В. .Брей
// BICX. 2, 1971. - №3. - С. 3-37.
17.Дробышев, И.А. Совершенствование технологического процесса выкопки
корнеплодов сахарной свёклы вибрационным рабочим органом/ дис. …
канд. тех. наук: 05.20.01/ Дробышев Игорь Анатольевич. – Мичуринскнаукоград, 2005.- 158с.
18.Арданов, Ч.Е. Механизация сухой очистки корнеплодов: автореф. дис. …
канд. тех. наук: 05.20.01/ Арданов Чимит-Сырен Ешеевич – Саратов, 1988.
– 24с.
19.Адрианов, К.К. К определению усилий давления прутка цилиндрической
щётки на обрабатываемую поверхность / К.К. Адрианов, Г.Р. Винтерле /
Научные труды Омск. с.-х. инст-т. – Омск, 1974. – т.127. с. 63-65
20.Дервиш, A.B., Барабанно-щёточный очиститель корнеплодов / A.B. Дер-
126
виш, Н.П. Шаволин // Комплексная автоматизация и механизация в свиноводстве. М.: ВИМ, 1982. - С.81.86.
21.Найданов, С.А. Изыскание способов и средств сухой очистки корней сахарной свёклы /. автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.20.01/Найданов Сергей
Александрович – М., 1984. – 19с.
22.Найданов С.А. Силовое взаимодействие щёток с корнями сахарной свёклы.
– Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1980, №11,
с.11…13.
23.Найданов С.А. Сухой способ очистки корней сахарной свёклы. – Техника в
сельском хозяйстве, 1980, №10 с. 57.
24.Патент 2192114 Российская федерация, МПК7 А01D33/08. Способ сепарации корнеплодов свёклы / Горшенин В.И., Булгаков В.М., Кондратьев В.Я.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «МичГАУ» - 99115874/13; заявл. 19.07.1999 опубл. 10.11.2002, Бюл. №31. – 6 с.: ил.
25.Патент 2144288 Российская федерация, МПК7 А01D27/04. Корнеуборочная
машина / Горшенин В.И., Булгаков В.М., Кондратьев В.Я.; заявитель и патентообладатель «МГСХА» - 98119925/13; заявл. 02.11.1998 опубл.
20.01.2000, Бюл. №2. – 6 с.: ил.
26.Патент 2154931 Российская федерация, МПК7 А01D17/04. Корнеуборочная
машина // Горшенин В.И., Булгаков В.М., Кондратьев В.Я.; заявитель и патентообладатель «МГСХА» - 99108509/13; заявл. 26.04.1999 опубл.
27.08.2000, Бюл. №24. – 8 с.: ил.
27.Патент 2144759 Российская федерация, МПК7 А01D91/02. Способ транспортировки и очистки корнеплодов свёклы / Горшенин В.И., Булгаков
В.М., Кондратьев В.Я.; заявитель и патентообладатель «МГСХА» 98120043/13; заявл. 02.11.1998 опубл. 27.01.2000, Бюл. №3. – 6 с.: ил.
28.Патент 2297753 Российская федерация, МПК7 А01D33/08. Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов / Горшенин В.И., Булгаков В.М.,
Михеев Н.В., Тарабукин Ю.А., Соловьёв С.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «МичГАУ» - 2005125133/12; заявл. 08.08.2005 опубл.
127
27.04.2007, Бюл. №12. – 5 с.: ил.
29.Патент 2290778 Российская федерация, МПК7 А01D33/08. Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов / Горшенин В.И., Булгаков В.М.,
Михеев Н.В., Тарабукин Ю.А., Соловьёв С.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «МичГАУ» - 2004134801/12; заявл. 29.11.2004 опубл.
10.01.2007, Бюл. №1. – 5 с.: ил.
30.Мухин В. А. Устройство для повышения эффективности щеточного очистителя корнеклубнеплодов / В. А. Мухин, М. К. Дусенов // Тракторы и
сельхозмашины. – 2011. – № 5. – С. 18–20.
31.Мухин В. А. Динамика воздействия щеточного очистителя на корнеклубнеплод / В. А. Мухин, М. К. Дусенов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2011. – № 8. – С. 41–43.
32. Кухмазов, К.З. Результаты исследования физико-механических свойств сахарной свеклы / К.З. Кухмазов, В.М. Крячко // Роль науки в развитии АПК:
сборник научных трудов Пензенской ГСХА.— Пенза: РИО ПГСХА, 2005.
С. 223-226.
33. Кухмазов, К.З. Обоснование конструктивно-режимных параметров транспортирующе-очистительного устройства свеклоуборочного комбайна /К.З.
Кухмазов, Р.У. Янгазов// Нива Поволжья. 2010. - № 3. - С. 68-70.
34. Кухмазов, К. 3. Проблемы уборки сахарной свеклы / К. 3. Кухмазов, Р.У.
Янгазов //Образование, наука, практика: инновационный аспект: Сб. материалов Междунар. НПК. Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 210-211.
35. Кухмазов, К.З. Сепарирующие рабочие органы свеклоуборочных комбайнов / К.З. Кухмазов, Р.У. Янгазов //Образование, наука, практика: инновационный аспект: Сб. материалов Междунар. НПК. — Пенза: РИО ПГСХА,
2008. -С. 211-212.
36. Кухмазов, К.З. Уборка сахарной свеклы в сложных условиях / К.З. Кухмазов, Р.У. Янгазов // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК
России: Сб. материалов Всероссийской НПК. Пенза: РИО ПГСХА, 2009. С. 71-72.
128
37. Кухмазов, К.З. К проблеме уборки сахарной свеклы / К.З. Кухмазов, Р.У.
Янгазов // Сб. науч. тр. Междунар. НПК. — Ярославль: Ярославская ГСХА,
2010. - С. 127-130.
38. Кухмазов К.З. Совершенствование комбайновой уборки сахарной свеклы.
/Кухмазов К.З., Янгазов Р.У// Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. материалов Всероссийской НПК. Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2010. -С. 228-230.
39.Аграрное обозрение /: - М.: Издательский дом «Независимая аграрная
пресса», июль-август 2009. – 69с.; Библиогр.: с.: 29 – 36.
40.Адиньяев, М.Д. Сельскохозяйственные машины. Практикум /: Учебники и
учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений / М.Д. Адиньяев,
В.Е. Бердышев, И.В. Бумбар и др.; под ред. А.П. Тарасенко.- М.: Колос,
2000.- 240с.
41.Колчина, Л.М. Техника для производства сахарной свеклы: Каталог / Колчина Л.М., Крюков И.В. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. – 144с.
42.Проспект ООО «БелАгроТехСнаб». Свеклоуборочная техника [Изоматериал]: нагляд. матер. – Белгород, 2004. – цв. офсет.; 30х21 см. – 500 экз.
43.Отчет отделения механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства за 2004 год /. М.: 2005. – Россельхозакадемия
44.Проспект
ОАО
«АГРОРЕМПРОМТЕХНИКА».
Cвеклопогрузчик-
очиститель СПО-4,2 [Изоматериал]: нагляд. матер. – Новый Оскол, 2004. –
цв.; 30х21 см. – 200 экз.
45.Проспект FRANZ KLEINE. «МАУС» RL 200 SF Самоходный свеклопогрузочно-очистительный комбайн [Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2004. –
цв. офсет; 30х21 см. – 100 экз.
46.Проспект FRANZ KLEINE. SF 10-2 Самоходный свеклоуборочный комбайн [Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2004. – цв. офсет; 30х21 см. – 100
экз.
47.Проспект FRANZ KLEINE. SF 20 Самоходный свеклоуборочный комбайн
[Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2004. – цв. офсет; 30х21 см. – 100 экз.
129
48.Проспект FRANZ KLEINE. Прицепные машины для трёхфазной уборки сахарной свёклы [Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2004. – цв. офсет; 30х21
см. – 100 экз.
49.Проспект фирмы Agrifac. Самоходный свеклоуборочный комбайн ВКМ
Хекса [Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2004. – цв. офсет.; 30х21 см. –
500 экз.
50.Проспект фирмы Amako group of companies. Cвеклоуборочная техника
“WIC” [Изоматериал]: нагляд. матер. – М., 2003. – цв. офсет.; 30х21 см. –
200 экз.
51.Проспект фирмы Ropa. euroMAUS [Изоматериал]: нагляд. матер. – М.,
2003. – цв. офсет.; 30х21 см. – 500 экз.
52.Проспект фирмы Ropa. euroTIGER [Изоматериал]: нагляд. матер. – М.,
2003. – цв. офсет.; 30х21 см. – 500 экз.
53.Рамазанов, А.Г. Обоснование технологий уборки сахарной свеклы и условий эффективного применения навесного вибрационного свеклокопателя
КВС-6: дис. … канд. тех. наук: 05.20.01./ Рамазанов Абдулкадир Гаджиевич. – Тамбов, 2003.- 158с.
54.Коновалова, Н.Д. Система земледелия Тамбовской области / Под ред. Н.Д.
Коновалова. – Тамбов: РИО Упрполиграфиздат, 1982. – 146с.
55.Карпенко, А.Н. Сельскохозяйственные машины/ Карпенко, А.Н., Халанский, В. М. - 6-е изд., перераб. и доп.- М.: Агропромиздат, 1989. – 527с.:ил.
56.Халанский, В. М. Сельскохозяйственные машины /: Учебники и учебные
пособия для студентов высш. учеб. заведений / Халанский, В. М., Горбачёв
И.В. - М.: КолосС, 2004. – 624 с.
57.Коженкова, К.И. Технология механизированных работ /: учеб. пособие /
К.И. Коженкова, Ю.В. Будько, Г.Ф. Добыш.- Мн.: Ураджай, 1988.- 375с.
58.Иофинов, С.А. Справочник по эксплуатации машинно-тракторного парка //
С.А. Иофинов, Э.П. Бабенко, Ю.А. Зуев; Под общей ред. С.А. Иофинова.М.: Агропромиздат, 1985.- 272с.
130
59.ГОСТ 17421-82. Сахарная свёкла для промышленной переработки. Требования при заготовках. Технические условия / – Взамен ГОСТ 17421-72;
введ. 1983-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1983. – 6 с.
60.Мешков, В.С. Книга сельского механизатора / В.С. Мешков, А.С. Неретин,
В.А. Бисеров и др., М., Россельхозиздат, 1977, 431 стр.
61.Merkes, R. Zuckerrübe. 2.8 Ernte und Lagerung. In: Keller, E. R., Hanus, H.,
Heyland, K. U. (Hrsg.) Handbuch des Pflanzenbaus. Bd. 3: Knollen- und Wurzelfrüchte, Körner- und Futterleguminosen. Verlag Eugen Ulmer Stuttgart, 1999,
412-416.
62.Добровольский, В.В. География почв с основами почвоведения / – М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1999. – 384с.: ил.
63.Märländer, B. Zuckerrüben. Optimierung von Anbauverfahren. Züchtungsfortschritt. Sortenwahl. Ute Bernard-Pätzold Druckerei & Verlag, 1991 138 S.
64.Кауричев, И.С. Почвоведение / / И.С. Кауричев, Л.Н. Александрова, Н.П.
Панов и др.; Под ред. И.С. Кауричева. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.:Колос,
1982. – 496 с., ил.
65.Туровский, А.И. Система ведения сельского хозяйства в центрально-черноземной зоне / А.И. Туровский, В.Г. Андрюхов, М.Д. Болдырев и др. – Воронеж - Центрально-черноземное книжное издательство НИИСХ ЦЧП им.
В.В. Докучаева, 1976г. – 438с.
66.Schmidbauer, N. Damit der Zucker in der Rübe bleibt. Rübenmieten mit Stroh
oder Vlies abdecken. Dlz-agrarmagazin, 1997, 10, 28-30.
67.Спиваковский, А.О. Транспортирующие машины / Спиваковский А.О. и
Дьячков В.К. Изд. 2-е, переработанное и доп. М., изд-во «Машиностроение», 1968, 504 стр.
68.Strätz, J. Zuckerrübenernte – Verfahrenstechnische Lösungsmöglichkeiten. In:
Rund um Kraut und Rüben. Schering AG Pflanzenschutz Deutschland, 1992, 3135.
69.Патент 2185762 Российская федерация, МПК7 A23N12/02. Машина для
очистки клубнекорнеплодов сахарной свеклы / Кошевой Е.П.; Барановский
131
С.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический
университет»
-
2001109788/13;
заявл.
11.04.2001 опубл. 27.07.2002, Бюл. №24. – 6 с.: ил.
70.Патент 2017375 Российская федерация, МПК7 A01D33/08, A01D51/00.
Устройство для подбора и очистки корнеплодов / Русанов И.И.; Кожушко
Д.И.; Кузьминов В.Г.; Усиков Г.С.; Нагель В.Е.; заявитель и патентообладатель Коллективное (народное) производственное предприятие "Днепропетровский комбайновый завод" - 4947075/15; заявл. 18.06.1991 опубл.
15.08.1994, Бюл. №15. – 6 с.: ил.
71.Патент 2153791 Российская федерация, МПК7 A01D33/08. Транспортерочиститель корнеклубнеплодов / Сыроватка В.И.; Сысуев В.А.; Савиных
П.А.; Алешкин А.В.; Дудин В.Г.; заявитель и патентообладатель Научноисследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В.
Рудницкого - 99110004/13; заявл. 17.05.1999 опубл. 10.08.2000, Бюл. №23.
– 6 с.: ил.
72.Патент 2067376 Российская федерация, МПК7 A01D33/08. Устройство для
транспортировки корнеплодов / Аванесов Юрий Борисович[RU]; Константиновский Михаил Иосифович[UA]; Чух Мариан Каленикович[UA]; Покуса Алексей Александрович[UA]; Кузьминов Вадим Георгиевич[UA];
Ткаченко Владимир Васильевич[UA]; заявитель и патентообладатель Коллективное производственное предприятие "Днепропетровский комбайновый завод (UA); Всесоюзный научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (RU) - 5027544/15; заявл. 17.02.1992 опубл.
10.10.1996, Бюл. №18. – 6 с.: ил.
73.Патент 2093976 Российская федерация, МПК7 A01D33/08. Сепаратор для
очистки корнеклубнеплодов / / Медведев В.П.; Мочалов С.Б.; заявитель и
патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства овощных культур - 93027760/13; заявл. 12.05.1993
опубл. 27.10.1997, Бюл. №21. – 6 с.: ил.
132
74.Патент 2104785 Российская федерация, МПК7 B02C13/02, A01F29/00. Очиститель-измельчитель корнеклубнеплодов / / Алешкин В.Р.; Мохнаткин
В.Г.; Баранов Н.Ф.; Шулятьев В.Н.; Годорожа С.Г.; Шубин С.И.; заявитель
и патентообладатель Вятская государственная сельскохозяйственная академия - 96100483/03; заявл. 10.01.1996 опубл. 20.02.1998, Бюл. №11. – 6 с.: ил.
75.Патент 2050094 Российская федерация, МПК7 A01D25/04, A01D25/00,
A01D27/04. Машина для уборки корнеплодов / / Русанов Иван Иванович[UA]; Кожушко Дмитрий Игнатьевич[UA]; Нагель Владимир Евгеньевич[UA]; Покуса Алексей Александрович[UA]; Котова Валентина Дмитриевна[UA]; Усиков Григорий Степанович[UA]; Кузьминов Вадим Георгиевич[UA]; Умеренко Аркадий Аркадьевич[UA]; заявитель и патентообладатель Коллективное производственное предприятие "Днепропетровский
комбайновый завод" (UA) - 5058642/15; заявл. 14.08.1992 опубл. 20.12.1995,
Бюл. №19. – 6 с.: ил.
76.Жистин, Е.В. Обоснование параметров шнеко-элеваторного сепарирующего рабочего органа картофелеуборочных машин: автореф. дис. … канд.
техн. наук: 05.20.01/ Жистин Е.В – М., 1986. – 20с.
77.Миркина, Е.Н. Обоснование технологического процесса калибрования
клубней картофеля на решетных поверхностях сортировальных машин: автореф. дис. … канд. техн. наук: Миркина Е.Н. – Саратов, 2001. – 21с.
78.Ледвянкин, А.А. Снижение энергоёмкости очистки стойл от навоза с обоснованием конструктивно режимных параметров очистителя: дис. … канд.
тех. наук: 05.20.01/ Ледвянкин Алексей Александрович. – Пенза, 2004.125с.
79. Гусев, Л.М. Исследование работы щеточных устройств с цилиндрическими щетками подметально-уборочных машин. Л., МКХ, 1968, 71 с.
80. Eichhorn, H. (Hrsg.) Landwirtschaftliches Lehrbuch Landtechnik. Verlag Eugen
Ulmer Stuttgart, 1985, 589 S.
81. Kromer, K.-H. Verfahrenstechnik für die Zuckerrubenernte. In: Rund um die
Zuckerrübe. Sonderheft Neue Landwirtschaft, 1992, 66-69.
133
82.Кузнецов, П.Н. Обоснование выбора рабочего органа для очистки корнеплодов свёклы при уборке в условиях повышенной влажности // Горшенин
В.И., П.Н. Кузнецов // Повышение эффективности использования ресурсов
при производстве сельскохозяйственной продукции // Сборник научных
докладов XIII международной науч.-практич. конф. «Новые технологии и
техника для ресурсосбережения и повышения производительности труда в
с.-х. производстве (15-16 сентября 2005 г., г. Тамбов) / Мин. с.-х. РФ, Рос.
акад. с.-х. наук, ГНУ ВНИИМССХ, ГНУ ВНИИМЖ, ГНУ ВНИИТИН. –
Тамбов, 2005. – С. 225-234.
83.ГОСТ Р 52757-2007 Машины свеклоуборочные. Методы испытаний. – М.:
Стандартинформ. 2008. – 36 с.
84.ГОСТ Р 53036-2008 Свекла сахарная. Методы испытаний. – М.: Стандартинформ, 2009, – 12с.
85.ОСТ 10 2.18-2001. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы экономической оценки /. – В развитии ГОСТ 23728 – ГОСТ 23730; Введ. впервые 01.03.2002. – Минсельхоз России, 2002. – 37с.
86.Патент 2400048 Российская федерация, МПК A01D91/02. Способ транспортировки и очистки корнеклубнеплодов. // Горшенин В.И.; Кузнецов П.Н.;
Соловьев С.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Мичуринский государственный аграрный университет» - 2009118189/12;
заявл. 13.05.2009 опубл. 27.09.2010, Бюл. №27. – 4 с.: ил.
87.Осадчий, В.А. Руководство к решению задач по теоретической механике /:
Учеб. Пособие для техникумов / Осадчий В.А., Файн А.М. - М.: Высшая
школа, 1972. – 256 с.
88.Лачуга, Ю.Ф. Теоретическая механика: Учебники и учебные пособия для
студентов высш. учеб. заведений / Лачуга Ю.Ф., Ксендзов В.А. - М.: КолосС, 2005. – 576 с.
89.Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1972г. С.118-127
90.Гузенков, П.Г. Краткий справочник к расчетам деталей машин. Изд-во
134
"высшая школа" М.: 1964г - 325 стр.
91.Дронг, В.И. Курс теоретической механики: Учебник для вузов / Дронг В.И,
Дубинин В.В., Ильин М.М. и др.; Под общ. ред. Колесникова К.С. 3-е изд.,
стериотип – М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 736 с.
92.Тарг, С.М. Краткий курс теоретической механики /: Учеб. для втузов / Тарг
С.М. - М.: Высшая школа, 1995. – 416 с.
93.Черногоров, Е.П. Теоретическая механика. Элементы теории удара / Е.П.
Черногоров – Челябинск, 2013, 12 с.
94.Тарг, С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов/ С.М.
Тарг. - 15-е изд.,стер. - М.:Высш.шк., 2005. - 415 с.
95.Википедия. Свободная энциклопедия. Период колебаний. [Электронный
ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipdia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%B4_%D
0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8
%D0%B9
96.Википедия. Свободная энциклопедия. Момент инерции [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D
0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B8
97.Шестопалов, К.К. Взаимодействие ворса со сметом и расчет параметров цилиндрической щётки: методические указания / К.К. Шестопалов, С.В. Штефан. – Москва: Ротапринт МАДИ, 2010. – 16 с.
98.Механизмы и технологии. [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://mehanik-ua.ru/lektsii-po-tekhnicheskim-temam/182-tekhnologicheskiesvojstva-pochvy.html
99.Земледелие от «А» до «Я». [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://racechrono.ru/fizika-pochv/3931-lipkost-pochvy-chast-1.html
100. Вунивере.ру. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://vunivere.ru/work24463/page2
101. Трактор Т-16. Устройство, принцип работы, характеристики и ремонт
135
тракторов Т-16, Т-16 М и Т-16 МГ. [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://traktor-t-16.ru/selskoe-khozyajstvo/118-tekhnologicheskie-svojstvapochvy
102. Горячкин, В.П. Собрание сочинений /: в 3 т. Т. 3/ Василий Горячкин. –
М.: Колос, 1965 – 384 с.
103. Исаев, Ю.М. Расчет площади пятна контакта инструмента по внешней
поверхности цилиндрической детали / Ю.М. Исаев, О.П. Гришин, А.А.
Настин. / Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 2 – С. 135-136
[Электронный ресурс] / Режим доступа:
www.rae.ru/snt/?section=content&op=show_article&article_id=3015 (дата обращения: 25.03.2015).
104. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта. – М.: Сельхозиздат, 1985. 352с.
105. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных
условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976.
– 227 с.
106. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях с/х процессах /С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин - 2-е изд., перераб. и
доп. – Л.: Колос, 1980. – 168с.
107. Налимов, В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 208 с.
108. Орманджи, К.С. Контроль качества полевых работ. - М.: Росагропромиздат, 1991. – 191с.
109. ГОСТ 23729-88 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической
оценки специализированных машин. – М.: 1989., – 9с.
110. ГОСТ 23730-88 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической
оценки универсальных машин и технологических комплексов. – М.: 1989.,
– 14с.
111. Акжигитова, А.Н. Анализ статистической совокупности в программе
MS EXCEL: методические указания и задание к лабораторной работе №1 //
136
А.Н. Акжигитовa, Н.С. Циндин, Н.Ф. Разуваева. – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2007. – 52 с.
112. Малый практикум по агрохимии: методические рекомендации к лабораторным занятиям по основам агрохимии. / Помор. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, Коряжем. фил.;авт. -сост. Т. П. Экономова, Л. Г. Горбунова. - Архангельск : Поморский государственный университет им. М. В. Ломоносова. - 2003. – 44 с.
113. Вадюнина, А.Ф. Методы исследования физических свойств почвы /:
Учебники и учебные пособия для высш. учеб. заведений / Вадюнина А.Ф.,
Корчагина З.А. - М.: Агропромиздат, 1986. – 416 с.
114. Вознесенский, В.Л. Первичная обработка экспериментальных данных /.
(Практические приемы и примеры). – Л.: Изд-во «Наука», 1969. – 84с.
115. Вознесенский, В.Л. Статистические методы планирования эксперимента
в технико-экономических исследованиях /. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:
Финансы и статистика, 1981. – 263с.
116. Шенк, Х. Теория инженерного эксперимента / Под ред. чл.-корр. АН
СССР Н.П. Бусленко. – М.: Изд. «Мир», 1972. – 384с.
117. Статистический анализ средствами пакета MS Excel: Лабораторный
практикум по дисциплине «Статистика» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т;
Сост.: В.Ю. Арьков, А.В. Жевак, А.И. Абдулнагимов. – Уфа, 2008. – 51 с.
118. Маслов, Г.Г. Оптимизация параметров и режимов работы машин методами планирования эксперимента / Учебное пособие для с.-х. вузов / Маслов, Г.Г., Дидманидзе, О.Н., Цыбулевский, В.В.– М.: УМЦ «Триада», 2007.
– 292 с., ил.
119. Коновалов, В.В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ /: Учебное пособие. – Пенза: ПГСХА, 2003. – 176с.
120. Kästner, B. Zur Orientierung von Pflanzenzahl und –verteilung, sowie von
Ertags- und Qualitätsmerkmalen in der Zuckerrübenproduction. I. Mathematische Modelle zur Abbilding des Pflanzenbestandes. Zuckerindustrie, 115,
1990, 458-465.
137
121. Кузнецов, П.Н. К вопросу о сепарации корнеплодов сахарной свёклы
при уборке // П.Н. Кузнецов // Роль науки в повышении устойчивости функционирования АПК Тамбовской области: Материалы науч.-практич. конф.
(17–18 ноября 2004 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.во МичГАУ, 2004. – С. 213-215.
122. Кузнецов, П.Н. Анализ средств механизации для очистки сахарной
свёклы при уборке // П.Н. Кузнецов // «Вклад молодых учёных в развитие
аграрной науки XXI века»: Материалы международной науч.-практич.
конф. (2–3 марта 2004 г.) / Рязанская гос. с.-х. академия им. проф. П.А. Костычева. – Рязань РГСХА, 2005. – С. 188-190.
123. Кузнецов, П.Н. Совершенствование механизации очистки корнеплодов
свёклы при уборке // П.Н. Кузнецов // Сборник научных трудов посвящённый 55-летию инженерного факультета / Рязанская гос. с.-х. академия им.
проф. П.А. Костычева. – Рязань РГСХА, 2005. – С. 147-149.
124. Кузнецов, П.Н. Определение параметров щёточного очистителя для
очистки корнеплодов свёклы в условиях переувлажнённой почвы / П.Н.
Кузнецов, З.К. Кузнецова // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. – 2006. – №2. – С. 197-200.
125. Кузнецов, П.Н. Способ очистки корнеплодов сахарной свёклы в условиях переувлажненной почвы // П.Н. Кузнецов // 62-ая Всероссийская
научно-практическая конференция студентов и аспирантов: сб. науч. трудов (25 – 26 марта 2010 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск:
Изд.-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2010. – С. 98-100.
126. Кузнецов, П.Н. Методика экспериментального определения ударного
импульса необходимого для отрыва образца почвы от рабочей поверхности
// П.Н. Кузнецов // 62-ая Всероссийская научно-практическая конференция
студентов и аспирантов: сб. науч. трудов (25 – 26 марта 2010 г.) / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во ФГОУ ВПО МичГАУ, 2010. –
С. 101-104.
127. Кузнецов, П.Н. Обоснование конструкции очистителя рабочих органов
138
свеклоуборочной техники в условиях переувлажненной почвы / / П.Н. Кузнецов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции // Сборник научных докладов XVI
международной науч.-практич. конф. «Новые технологии и техника для
растениеводства и животноводства (20-21 сентября 2011 г., г. Тамбов) /
Мин. с.-х. РФ, Рос. акад. с.-х. наук, ГНУ ВНИИМССХ, ГНУ ВНИИМЖ,
ГНУ ВНИИТИН. – Тамбов, 2011. – С. 225-234.
128. Кузнецов, П.Н. К вопросу об очистке корнеплодов сахарной свеклы при
уборке / П.Н. Кузнецов, В.И. Горшенин / Материалы 65-й научно-практической конференции студентов и аспирантов 26-28 марта 2013г. / Мичуринский гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во МичГАУ, 2013. – С. 150-154.
129. Кузнецов, П.Н. Оптимизация параметров рабочего органа для очистки
корнеплодов сахарной свеклы /П.Н. Кузнецов, М.А. Мягкова //Инженерное
обеспечение инновационных технологий в АПК. Материалы Международной научно-практической конференции 23-25апреля 2014г. / Мичуринский
гос. аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во МичГАУ, 2014. – С. 40-44.
130. Кузнецов, П.Н. Использование устройств для транспортировки и
очистки корнеклубнеплодов в условиях центрального Черноземья РФ /: Рекомендации. Учебное издание / С.В. Соловьёв, В.И. Горшенин, П.Н. Кузнецов – Мичуринск-наукоград: Издательско-полиграфический центр ФГБОУ
ВПО «МичГАУ», 2013. – 21 с., ил.
131. Кузнецов, П.Н. Методика и результаты исследования загрязненности
корнеплодов в условиях Тамбовской области //П.Н. Кузнецов, Н.И. Бабайцева //Материалы 67-й научно-практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (II раздел) 18-20 марта 2015г. / Мичуринский гос.
аграрн. ун-т. – Мичуринск: Изд.-во ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ, 2015. –
С. 210-215.
132. Кузнецов, П.Н. Усовершенствованная технология возделывания и
уборки сахарной свеклы в условиях Тамбовской области / П.Н. Кузнецов,
В.И. Горшенин, С.В. Соловьёв, А.Г. Абросимов // Вестник Мичуринского
139
государственного аграрного университета. – 2014. – №6. – С. 54-57.
133. Кузнецов, П.Н. Совершенствование степени очистки корнеплодов сахарной свеклы путём применения щёточного очистителя в условиях Тамбовской области / П.Н. Кузнецов, С.В. Соловьев // Вестник Мичуринского
государственного аграрного университета. – 2015. – №1. – С. 162-167.
134. Eurostat Landwirtschaft. Statistische Jahrbücher. Brüssel. – 2014, 16
135. (FAOSTAT
Agriculture
data.
URL:
http://faostat.fao.org/site/339/de-
fault.aspx)
136. ZMP (Hrsg.) Agrarmärkte in Zahlen. Europäische Union 2003. Tier- und
Pflanzenproduktion. Zentrale Markt- und Preisberichtsstelle GmbH Bonn, 2003,
258 S.
137. Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (Hrsg.) Statistisches Jahrbuch über Ernährung, Landwirtschaft und Forsten der Bundesrepublik Deutschland, Landwirtschaftsverlag GmbH Münster-Hiltrup, 1990-2003.
138. ГОСТ Р 53056-2008 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки. – М.: Стандартинформ, 2009, – 23с.
139. Кузнецов, П.Н. Оценка эффективности использования устройства для
удаления налипшей почвы со щеточного очистителя при уборке в условиях
повышенной влажности / П.Н. Кузнецов, В.И. Горшенин // Научное обозрение. – 2015, № 8 С. 19-22.
140. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. /Разработчики: Никифоров А.Н., Токарев
В.А, Борзенков В.А (ВИМ); Севернев М.М., Колос В.А. (ЦИНИИМЭСХ);
Тихомиров А.В., Мурадов В.П., Маркелова Е.К. (ВИЭСХ). - М.: ВИМ, 1995.
141. ГОСТ Р 52777-2007 Техника сельскохозяйственная. Методы энергетической оценки. – М.: Стандартинформ, 2008, – 11с.
140
ПРИЛОЖЕНИЯ
141
ПРИЛОЖЕНИЕ А
142
143
144
145
146
147
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
148
ПРИЛОЖЕНИЕ В
149
ПРИЛОЖЕНИЕ Г