Разработка и обоснование конструкции картофелеуборочного комбайна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

7. Osnovy teorii uprugosti [Tekst]: uchebnoe posobie / V.N. Barashkov, I.Ju. Smolina, L.E. Puteeva i dr. - Tomsk: Izd-vo Tom. gos. arhit.-stroit. un-ta, 2012. - 184 p.

8. Rekach, V.G. Rukovodstvo k resheniju zadach prikladnoj teorii uprugosti [Tekst] / V.G. Rekach. - M.: Librokom, 2010. - 216 p.

9. Svetlickij, V.A. Peredachi s gibkoj svjaz'ju [Tekst] / V.A. Svetlickij. - M.: Mashinostroenie, 1967. - 154 p.

10. Grounds, R. Machines for melons the big step forward [Tekst] / R. Grounds // W. Grower Shipper. - 1992. - Vol. 43. - №8. - P.18-19.

E-mail: [email protected]

УДК 631.356.4

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАРТОФЕЛЕУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

DEVELOPMENT AND SUBSTANTIATION OF POTATO HARVESTER DESIGN

Д.В. Скрипкин, кандидат технических наук, доцент В.Г. Абезин, доктор технических наук, профессор

D.V. Skripkin, V.G. Abezin

Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University

Разработана конструкция картофелеуборочного комбайна, имеющего рабочие органы, включающие лемех и два вертикально установленных ножа, обеспечивающие подрезание пласта почвы в зоне междурядья как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости, на глубину залегания корнеплодов. Подрезанный пласт почвы разрушается почворазрушительным барабанам и отправляется на наклонный вальцовый транспортер, где происходит отделение клубней картофеля от частиц почвы с последующим направлением их на прутковый транспортер, который направляет их на скатной лоток при помощи плодозахватных лопастей. Данный комбайн обеспечивает комплексную механизацию уборки картофеля, от удаления ботвы и почвенных примесей из подрезанного слоя почвы до погрузки отсортированного картофеля в рядом идущее транспортное средство. Приводятся в статье теоретическое обоснование основных параметров картофелеуборочного комбайна, а именно приведены уравнения определения сил, действующих на рабочие органы, расхода мощности на трение диска о почвенный слой. Найдена зависимость объема и размера клубней их масса, а также выражение сопротивления перемещению частиц, трения в цапфах и скольжению вороха по роликам с сообщённой им кинетической энергией, а также частота вращения кулачковых механизмов.

A potato harvester design, having working bodies, which include a share and two vertically mounted coulters ensuring cutting of soil formation in the inter-row area, both in the horizontal and vertical area, to a depth of occurrence of root crops, was developed. The cut soil layer is destroyed by soil destroying drums and is sent to an inclined roller conveyor, which separates the potatoes tubers from the soil particles and then sending them to the raddle chain which directs them to a sloped tray using tubers grabbing blades. This harvester provides a comprehensive mechanization of potato harvesting, from the removal of foliage and soil contaminants from the cropped soil before loading of sorted out potatoes in the next coming vehicle. The article presents a theoretical basis the main parameters of the potato harvester, namely the authors give the equation determining the forces acting on the working bodies, the power consumption on the disc friction with soil. The authors found the dependence of tubers size and scope, their mass, as well as expression of re-substituted particle resistance, friction trunnion and slip heap on rollers with a kinetic energy of the already-reported to them, as well as cam mechanisms speed.

Ключевые слова: дисковые ножи, режущий аппарат, лемех, вальцовый транспортер, прутковый транспортер, встряхиватели, барабанный транспортер.

Key words: disk coulters, cutter bar, blade, roller conveyor, raddle chain, vibrator, drum conveyor.

Введение. На сегодняшний день по размахам производства картофель занимает четвертое место среди главных сельскохозяйственных культур мира после риса, пшеницы и кукурузы. При этом мировое производство картофеля неуклонно растет.

Уборка картофеля является одной из самых трудоемких технологических операций с большими затратами ручного труда. Это обусловлено тем, что в настоящее время в большинстве крестьянско-фермерских хозяйств в Волгоградской области картофель выкапывают грохотными копателями ЛКГ-1,4, ЛКП-1,8 и элеваторными картофелеко-пателямии типа КТН-2Б, КСТ-1,4 с валкованием, а грохотные используются для подбора, отделения почвы и погрузки его в транспорт, т.е. формально завершают полную механизацию уборочных полевых работ. Потери клубней - 3.. .5 % вполне допустимы, но практически все клубни имеют ушибы от ударов прутками грохотов и элеваторов, а видимые повреждения составляют 11.13 % [5]. При валковании часть клубней присыпается неотсеваемыми комьями или ботвой, что ведет к потерям и снижению качества сушки. При подборе-погрузке в ворохе содержатся порядка 20 % неотсеваемых комьев, при этом подбор и погрузка клубней осуществляется вручную. В настоящее время находит широкое распространение уборка картофеля с помощью картофелеуборочных комбайнов, которые позволяют снизить затраты труда в 3-5 раз [5]. При этом опыт использования картофелеуборочных комбайнов выявил их недостатки при работе в тяжелых почвенных условиях: недостаточную надежность, невысокая производительность, сильная зависимость от засоренности поля, состояния почвы и ботвы, ведущие к потере неизвлеченных корнеплодов. Машины неработоспособны после заморозков и естественного старения ботвы, что ведет к преждевременной уборке, недобору урожая до 4.9 ц/га в сутки, снижению лежкости корнеплодов [10].

Материалы и методы. Основными проблемами процесса сепарации в картофелеуборочных комбайнах являются: незначительное содержание клубней в подкапываемом слое почвы; очень большую чувствительность клубней к механическим воздействиям; резкая изменчивость свойств почвы в зависимости от влажности почвенного слоя; отрицательное воздействие физико-механического свойства почвы на процесс сепарации [4, 6]. Этот процесс является трудоёмким так как в пласте почвы содержание клубней по массе составляет 1.3 %. Для выделения 4.6 кг клубней необходимо измельчать и просеивать до 200 кг почвы в секунду [9].

Результаты исследований. За последнее время были проведены многочисленные исследования по конструированию картофелеуборочной техники, в результате этих работ нами предложен картофелеуборочный комбайн, обеспечивающий комплексную уборку картофеля.

Конструкция картофелеуборочного комбайна включает раму 1 (рисунок 1), в передней части смонтированы два вертикальных дисковых ножа 3. На оси 4 дисковых ножей 3 смонтирован барабанный режущий аппарат 5 с ножами 6. В нижней части секции 2 закреплена противорежущая пластина 7. В передней части рамы 1 между дисковыми ножами 3 установлен лемех 8, верхняя кромка которого сопряжена с наклонным вальцевым транспортером 9, имеющим привод от опорной дорожки 10. Наклонный вальцовый транспортер 9 сопряжен с горизонтальным прутковым транспортером 11, который оборудован кулачковыми встряхивателями 12. Выходной блок 13 горизонтального пруткового транспортера 11 размещен во внутренней полости барабанного транспортера 14, который закреплен на стойке 18 и смонтирован на раме 1.

***** ИЗВЕСТИЯ ***** 2 (42) 2016

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

18

Рисунок 1 - Картофелеуборочный комбайн

Привод рабочих органов выполнен от вала 20 отбора мощности трактора и редуктор 21, а привод барабанного транспортера 14 выполнен от гидромотора гидросистемы трактора. В верхней части лемеха 8 установлены почворазрушительные барабаны 23, смонтированные в окне 24 лемеха 8. На наружной поверхности почворазруши-тельных барабанов 23 предусмотрены зубья 27, выполненные с круговой формой бокового профиля (зацепление Новикова).

Картофелеуборочный комбайн работает следующим образом. При движении по полю дисковые ножи 3 разрезают пласт почвы на глубину залегания корнеплодов. Барабанный режущий аппарат 5 производит срезание и измельчение ботвы. Лемех 8 подрезает пласт почвы в горизонтальной плоскости и поднимает его до почворазруши-тельных барабанов 23. Разрушенная масса почвы с клубнями поступает на наклонный вальцовый транспортер 9. При встряхивании пруткового транспортера 11 от воздействия кулачковых встряхивателей 12, почва проходит в зазор между прутками, и клубни подаются во внутреннюю полость барабанного транспортера 15, при вращении которого почва проходит через отверстия решетки 16 и клубни полностью очищаются от примесей почвы. Очищенные клубни захватываются плодозахватными лопастями 17 и поднимаются вверх до скатного лотка 19 и грузятся в транспортерные средства, движущиеся сбоку от картофелеуборочного комбайна.

Картофелеуборочный комбайн обеспечивает погрузку в транспортные средства 96 % клубней, количество поврежденных клубней не превышает 3 %, а потеря клубней массой более 15 г не превышает 3 % [11].

Обсуждение. При работе дисковые ножи 3 катятся без скольжения около точки контакта нижней части диска с почвой. Передняя заостренная часть диска выполнена клинообразной (рисунок 2).

Сила влечения Р для прямого вертикального ножа [1]:

Р=2 р а(в+^),

где р - давление на единицу площади (кг/м2); а - глубина погружения ножа (м); в - толщина ножа (м); f - коэффициент трения; к - высота заостренной части (м).

Рисунок 2 - Схема заостренной части диска

Экспериментально установлено, что сила влечения вращающегося диска в 4 раза меньше стационарного ножа. Профессор Нерло Нерли для определения горизонтальной силы влечения диска предложил формулу

Р = 0.4193- /-р-Я2, [1]

где f - коэффициент трения скольжения; Я - радиус диска

Расход мощности на трение диска

Ы=РУ,

где V - скорость поступательного движения.

Подкапывающий лемех 8 может рассматриваться как плоский клин. Действующие на клин силы - нормальное давление Ы, движущая сила Р и реакция дна Я.

Связь между этими силами по величине может быть найдена при помощи силового треугольника

Р=Ы^та; R=N■cosa,

где а - угол установки лемеха к горизонтальной плоскости.

В процессе механизированной уборки картофеля важнейшей задачей является отделение клубней от почвы. Объем и размеры клубней связаны следующей зависимостью [7]:

VK=sо■a■Ъ■c,

где Vк - объем клубня; а, Ъ, с - длина, ширина и толщина клубня (м); ео - коэффициент (для эллипсоида £о =4/38)

Масса клубня

Q= екаЪс,

где ек - объёмная масса единицы клубня, равная (0,56.. .0,65 кг/м3).

Отделение клубней от почвы начинает производиться на наклонном вальцевом транспортере 9 ролики вальцевого транспортера вращаются за счет сил сцепления их с опорной дорожкой 10 при этом работа по перемещению вороха (смесь почвы с клубня-

ми) включает работу трения вороха о ролики и кинетическую энергию роликов. Полная сила сопротивления движения вороха весом G по вальцевому транспортеру складывается из следующих составляющих [8]:

1. Сопротивление перемещению груза по роликам:

Wj=G~,

где к - коэффициент трения качения вороха по роликам; G - вес вороха (Н); D - диаметр ролика (м).

2. Сопротивление трения в цапфах роликов:

W2=(G+mz)^;

где m - вес ролика (Н); z - число роликов, на которых расположен ворох; d - диаметр цапфы ролика (м); р - коэффициент трения в шарнирах цепи.

3. Сопротивление скольжения вороха по роликам и сообщённая им кинетическая энергия:

jjr „ m z V2

W3=K——; g-L

где L - длина транспортера (м); g - ускорение свободного падения (м/с ); V - скорость вращения ролика (м/с).

Ворох, поступающий с наклонного вальцевого транспортера, подвергается воздействию горизонтального пруткового транспортера, оборудованного кулачковыми встряхивателями.

На сепарирующую способность пруткового транспортера влияют скорость движения полотна U и воздействие встряхивателей [2].

Нормальная составляющая начальной скорости VH полета частицы, радиус r кривошипа и частота вращения n - вала. Задаваясь радиусом кривошипа, можно определить частоту вращения вала, необходимую для подбрасывания частиц на прутковом транспортере.

Необходимая частота вращения вала для подбрасывания частиц вороха определяется из условия

п > 30 cosa/ Х-г • sino)t ,

i и

где а - угол наклона транспортера; л - показатель кинематического режима —; r - радиус кривошипа (м).

Для горизонтального транспортера

п > 30

Я ■ г ■ sinoit

В момент встряхивания прутки транспортера движутся по окружностям, описываемым большой осью эллипса. При этом на компоненты вороха действует центробежная сила

Р=Ош г^,

где G - сила тяжести частиц (Н); ш - скорость вращения встряхивателя (рад/с); g - ускорение свободного падения (м/с2); г - радиус описываемой окружности (м).

Вертикальная составляющая этой силы Рь>0 является условием отрыва частиц от поверхности транспортера.

Для расчета скорости V движения картофелеуборочного комбайна может использоваться формула [2],

У _ <7о mSç

Pn-b-h^'

где q0 - пропускная способность элеваторов (кг/с); Sc - площадь сепарирующих поверхностей (м ); P„ - плотность массы клубненосного слоя (1000.. .1600 кг/м3); b - ширина пласта, поступающего в комбайн (м); Нсл - толщина слоя поданного на сепаратор (м).

Заключение. Использование комкоразрушительных барабанов 23, наклонного вальцового транспортера 9, пруткового транспортера 11 с кулачковыми встряхивателя-ми обеспечивает полное отделение клубней, а барабанный транспортер позволяет производить погрузку клубней в транспортные средства, что обеспечивает повышение производительности и комплексную механизацию уборки [3]. Дисковые ножи 3 разрезают пласт в вертикальной плоскости и обеспечивают значительное снижение тягового сопротивления комбайна.

Библиографический список

1. Горячкин, В.П. Собрание сочинений в трех томах [Текст]/ В.П. Горячкин. - М.: Изд-во «Колос», 1965. - Том 2. - 450 с.

2. Клёнин, Н.И. Сельскохозяйственные машины [Текст]/ Н.И. Клёнин, С.Н. Киселёв, А.Г. Левшин. - М.: КолосС, 2008. - 816 с.: ил. - (учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)

3. Машины для механизации технологических процессов в овощеводстве и бахчеводстве [Текст] : учебное пособие / А.С. Овчинников, В.Г. Абезин, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров. -Волгоград : Волгоградская ГСХА, 2009. - 232 с.

4. Машинные технологии и техника для производства картофеля [Текст] / С.С. Тубо-лев, С.И. Шеломенцев, К.А. Пшеченков, В.Н. Зейрук. - М.: Агропрас, 2010. - 316 с.

5. Петров, Г.Д. Картофелеуборочные машины [Текст] /Г.Д. Петров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 320 с., ил.

6. Пшеченков, К.А. Машины для возделывания и уборки картофеля [Текст] /К.А. Пшеченков (Б-ука «Новое в механизации растениеводства»). - М.: Россельхозиздат, 1984. - 45 с., ил.

7. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины [Текст]/ Г.Е. Листопад, Г.К. Демидов, Б.Д. Зонов и др.; под общ. ред. Г.Е. Листопада. - М.: Агропромиздат, 1986. -688 с., ил. (учебники и учеб. пособия для высш. учеб. заведений)

8. Транспортирующие машины [Текст] / А.О. Спиваковский, В.Н. Дьячков. - Изд. 2-е, переработ. и доп. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1968. - 504 с.

9. Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины [Текст] / В.М. Халанский, И.В. Горбачев. - М.: Колос С, 2004. - 624 с.: ил. (учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений)

10. Peters, R. Trends in der Kartoffeltechnik / R. Peters // Landtechnik, 2003. - Jg. 58. - H.8. - S. 367.

11. Potato production and innovation technologies. Edited by Anton J. Haverkort, Boris V. Anisimov. The Netherlands. Wageningen Academic Pablishers. 2007. 422 p.

Reference

1. Gorjachkin V. P. Sobranie sochinenij v treh tomah [Tekst]/ V. P. Gorjachkin. - M.: Izd-vo «Kolos», 1965. - Tom 2. - 450 p.

2. Kljonin, N.I. Sel'skohozjajstvennye mashiny [Tekst] / N.I. Kljonin, S.N. Kiseljov, A.G. Levshin. - M.: KolosS, 2008. - 816 p.: il. - (uchebniki i ucheb. posobija dlja studentov vyssh. ucheb. zavedenij)

3. Mashiny dlja mehanizacii tehnologicheskih processov v ovoshhevodstve i bahchevodstve [Tekst] : uchebnoe posobie /A.S. Ovchinnikov, V.G. Abezin, A.N. Cepljaev, M.N. Shaprov. - Volgograd : FGAU VPO Volgogradskaja GSHA, 2009. - 232 p.

4. Mashinnye tehnologii i tehnika dlja proizvodstva kartofelja [Tekst] / S.S. Tubolev, S.I. Shelomencev, K.A. Pshechenkov, V.N. Zejruk. - M.: Agropras, 2010. - 316 p.

5. Petrov G.D. Kartofeleuborochnye mashiny [Tekst] / G.D. Petrov. - 2-e izd., pere-rab. i dop.

- M.: Mashinostroenie, 1984. - 320 p., il.

6. Pshechenkov K.A. Mashiny dlja vozdelyvanija i uborki kartofelja [Tekst] / K.A. Pshechenkov (B-uka «Novoe v mehanizacii rastenievodstva»). - M.: Rossel'hozizdat, 1984. - 45 p., il.

7. Sel'skohozjajstvennye i meliorativnye mashiny [Tekst] / G.E. Listopad, G.K. Demidov, B.D. Zonov i dr.; Pod obshh. Red. G.E. Listopada. -M.: Agropromizdat, 1986. - 688 p., il. - (ucheb-niki i ucheb. poso-bija dlja vyssh. ucheb. zavedenij).

8. Transportirujushhie mashiny [Tekst] / A.O. Spivakovskij i V.N. D'jachkov. - Izd. 2-e, pererabot. i dop. - M.: Izd-vo «Mashinostroenie», 1968. - 504 p.

9. Halanskij, V.M. Sel'skohozjajstvennye mashiny» [Tekst] / V.M. Halanskij, I.V. Gorbachev. - M.: Kolos S, 2004. - 624 p.: il. - (uchebniki i uchebnye posobija dlja studentov vysshih uchebnyh zavedenij).

10.Peters, R. Trends in der Kartoffeltechnik [Tekst] / R. Peters // Landtechnik, 2003. - Jg. 58.

- H.8. - Р. 367.

11.Potato production and innovation technologies [Tekst]. Edited by Anton J. Haverkort, Boris V. Anisimov. The Netherlands. Wageningen Academic Pablishers. 2007. - 422 p.

E-mail: [email protected]

УДК 620.91

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ПРИМЕРЕ Г. ВОЛГОГРАДА

EVALUATION OF APPLYING POWER INSTALLATIONS BASED ON SOLAR ENERGY CONVERSION POTENTIAL ON THE EXAMPLE OF VOLGOGRAD

Ю.В. Даус, магистр1 С.А. Ракитов, аспирант2 И.В. Юдаев, доктор технических наук 2

J.V. Daus, S.A. Rakitov, I.V. Yudaev

1Азово-Черноморский инженерный институт (филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»), г. Зерноград 2Волгоградский государственный аграрный университет

1Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Don state agrarian university in Zernograd

2Volgograd State Agricultural University

Системы энергоснабжения городов и поселений Российской Федерации характеризуются высокой степенью централизации их функционирования и управления. Основными потребителями энергии являются объекты жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), учреждения культуры и социальной направленности, торговые предприятия и производственные мощности. С учетом существующих проблем городской инфраструктуры (недостаточное развитие коммунальных сетей и систем, высокий износ энергооборудования; неэффективное использование природных ресурсов; низкая эффективность системы управления распределением и потреблением энергии) для маломощных объектов социальной направленности, баз отдыхов, профилакториев, предприятий малого и среднего бизнеса, жилого сектора в условиях плотной городской застройки и уже существующих разветвленных инженерных сетей становится важным вопрос поиска дополнительных источников энергии особенно в периоды внеплановых и профилактических ремонтов энергетического оборудования и инфраструктур ЖКХ, а также аварийных ситуаций. Нижнее Поволжье является одним из наиболее привлекательных регионов для использования возобновляемой энергетики, в том числе и солнечной энергии. Целью работы является определение уровня солнечного излучения для города

261