новое / 2. Исследовательская часть

2.НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Анализ существующих технологий и средств механизации для уборки картофеля

2.1.1 Анализ технологий уборки картофеля

В настоящее время в хозяйствах центральной нечерноземной зоны в зави­симости от почвенно-климатических условий и размера площади посадки кар­тофеля, применяют три основные технологии уборки:

-выкапывание клубней картофелекопателями с укладкой их на поверх­ность и последующим ручным подбором;

-уборка картофелекопателями с прицепными рабочими столами, на ко­торых рабочие вручную выбирают клубни и грузят их в тару;

-уборка комбайнами.

Технологический процесс уборки картофеля независимо от применяемых средств механизации включает следующие основные операции: подкапывание (выкапывание) клубней, отделение (сепарация) клубней от почвы, отрыв клуб­ней от ботвы, удаление ботвы и растительных примесей, отделение камней и других примесей, погрузка в тару или транспортные средства. Могут быть и дополнительные операции: предварительное удаление ботвы или сортирование клубней на фракции. При уборке картофеля с сильно развитой ботвой для пре­дотвращения забивания рабочих органов, как простейших машин, так и ком­байнов ботву предварительно удаляют. Удаление ботвы (химическим или ме­ханическим способом) облегчает не только работу машин, но и труд рабочих, занятых на подборе клубней после картофелекопателей. [4]

Уборку копателями применяют в основном на средних и тяжелых почвах повышенной влажности, где невозможна комбайновая уборка, а также на се­менных и небольших участках с поперечным уклоном более 3°. При уборке

картофеля копателями механизирована только одна операция - выкапывание клубней. Для подбора их обычно выделяют бригаду - 30-35 человек. Они, как правило, сочетают подборку с ручной погрузкой мешков с картофелем в рядом стоящую транспортную тележку или автомашину. В результате чего увеличи­ваются затраты труда и времени на уборку этой культуры. Плохо используются транспортные средства, полезная занятость которых составляет 10... 12% рабо­чего времени. Остальное время приходится на простой под загрузкой и выгрузкой.

Комбайновую уборку картофеля ведут тремя способами: прямым и раздельным комбайниро-ванием.[5]

Применение того или иного способа уборки зависит от конкретных усло­вий.

Прямое комбайнирование применяют на легких и средних почвах при удовлетворительной и хорошей сепарации, когда комбайн может справиться с отделением почвы и других примесей от клубней. На этих же почвах, но при повышенной влажности рабочие органы комбайна перегружаются. Для созда­ния оптимальных режимов работы картофелеуборочных комбайнов в различ­ных почвенно-климатических условиях предусмотрены регулировки их узлов и агрегатов. Уборка прямым комбайнированием экономически эффективна на полях с урожайностью не менее 100ц/га.

Раздельный способ уборки применяют, когда комбайн не справляется с сепарацией почвы из-за повышенной ее влажности и может работать лишь на I передаче трактора со скоростью 1,6 км/ч, при этом способе картофелекопатель-валкоукладчик отделяет основную часть почвы от примесей и укладывает клубни в валок на поверхности поля. Уложенный валок просыхает, и его под­бирают комбайном, оборудованный подборщиком. Количество рядов, уклады­ваемых в валок, выбирают в зависимости от урожая и засоренности грядки камнями, комками почвы и другими примесями.

Комбинированную уборку применяют на супесчаных, средних и легких суглинистых почвах (независимо от климатических условий) с хорошей фильт­рацией, имеющих оптимальную влажность и обеспечивающих удовлетвори­тельную сепарацию почвы. На таких участках при прямом комбайнировании рабочие органы комбайна работают с недогрузкой, возрастает число повреж­денных клубней, поскольку они перемещаются по транспортерам без почвен­ной прослойки. Комбинированный способ уборки картофеля позволяет устра­нить отмеченные недостатки, увеличить производительность комбайна и сокра­тить число его проходов по полю. Суть комбинированной уборки заключается в следующем. Клубни с двух или четырех рядов укладывают картофелекопателем -валкоукладчиком в междурядьях двух соседних неубранных грядок. Обра­зованный валок убирают за один проход комбайном с подборщиком, который одновременно с выкапыванием двух оставленных неубранных грядок подбира­ет лежащие между ними в валке клубни. [12]

Комбайны являются наиболее эффективными машинами для уборки кар­тофеля, позволяющими даже при наличии четырех-шести рабочих, обслуживающие переборочный стол, снизить затраты труда по сравнению с ручным подбором после картофелекопателей в 3-4 раза. Поэтому проблема совершенст­вования рабочих органов комбайнов для улучшения качественных показателей и повышения производительности в настоящее время очень актуальна.

2.1.2 Анализ патентных исследований

Анализ патентных исследований проводился по фондам МГУ им. Н.П. Огарева. Поиск проводился по странам СНГ, Великобритании, Германии, США, Японии и Швейцарии. Анализ проводился по интересующей нас теме, т.е. сепарации почвы. Картофелеуборочные комбайны, производимые в России: последняя модификация картофелеуборочного комбайна КПК-2 начала выпускаться в 1989 г., которая внедряется в сельском хозяйстве страны. Для более активной сепарации в этом комбайне установлены продольные и поперечные шнеки.

Для комбайнов выпускаемых в Великобритании, наиболее характерными являются конструкции, выпускаемые фирмами Джонсон и Рут харвестер. Картофелеуборочный комбайн "Джонсон" имеет плоский лемех в сочетании с дисками, элеватор для просеивания почвы, разреженный ботвоудаляющий транспортер для загрузки клубней в рядом едущие транспортные средства. В последние годы фирма работала над созданием трех моделей комбайнов, из которых "Джонсон мейджер" является усовершенствованным описанного выше образца. Он имеет подъемный барабан и переборщик, расположенный над сепарирующими рабочими органами. Большинство последних моделей комбайнов, выпускаемых в Германии, имеет прямоточную схему движения массы с расположением переборочного транспортера над сепарирующими рабочими органами. Особый интерес представляет комбайн "Хассия" фирмы Тростер. Он отличается от других комбайнов боковым расположением подъемного барабана, а также применением оригинального скребкового сепаратора, осуществляющего отделение почвы и ботвы от картофеля.

В США ведущее положение по выпуску картофелеуборочных комбайнов занимают фирмы Джон Бин, Локвуд, Монарх салес компани, Леймстон Мэшин энд Фармхенд. Комбайн "Фармхенд" двухъярусный с передачей массы на переборочный стол, расположенный под сепарирующими рабочими органами. Оригинальным является способ удаления ботвы. Ведущее полотно в верхней части подъемного транспортера продувается воздушным потоком, создаваемым вентилятором. В результате этого ботва прижимается к полотну и выносится из машины.

2.1.3 Анализ картофелеуборочных машин

По способу агрегатирования комбайны могут быть разделены на прицепные, полунавесные, навесные и самоходные. Первый и второй типы комбайнов, кроме того, могут быть подразделены на имеющие собственный двигатель для привода рабочих органов (моторные) или приводимые от ВОМ трактора (безмоторные). Однако отнесение комбайна к тому или иному классу или группе по перечисленным показателям еще не полностью характеризует его конструктивные и тем более технологические особенности. Поэтому в качестве важнейших классификационных признаков, характеризующих технологическую схему комбайна примем следующие семь показателей:

1. полнота выполнения комбайном требующихся операций;

2. последовательность выполнения операций технологического процесса;

3. характер выполнения процесса сепарации мелкой почвы;

4. тип основного сепарирующего рабочего органа;

5. тип рабочего органа для отделения твердых примесей;

6. направление движения массы при осуществлении технологического процесса;

7. способ сбора и выдачи клубней.

Могут быть и другие признаки, связанные с выполнением технологического процесса, по которым можно проводить классификацию, например: тип подкапывающего рабочего органа, тип ботвоудаляющего рабочего органа, но эти признаки не оказывают решающего влияния на технологический процесс, осуществляемый комбайном, поэтому в данной работе они не рассматриваются.

Рассмотрим основные типы картофелеуборочных машин и орудий, которые можно классифицировать по четырем признакам:

-по характеру выполняемого технологического процесса и виду основ­ ного рабочего органа;

-по количеству убираемых рядов;

-по методу агрегатирования;

-по типу основного сепарирующего рабочего органа. [5]

По характеру выполняемого технологического процесса различают сле­дующие типы картофелеуборочных машин:

-копачи (плуги);

-швырялки (со швыряльным колесом с направленными или жестко за­ крепленными на валу вилами);

-картофелекопатели (элеваторные и с качающимися решетками);

-комбайны

Копатели швыряльного типа - швырялки выкапывают кусты и разбрасы­вают клубни и почву из грядки в сторону, перпендикулярно ходу машины на расстояние до 3,5 м. Картофелекопатели швыряльного типа выпускают, как правило, однорядные, навесные на тракторы. Технологический процесс осуще­ствляется следующим образом: при движении копателя лемех подрезает поч­венный пласт, который в момент схода с лемеха разрушается и разбрасывается по поверхности гребенками вращающегося ротора. После прохода копателя получается полоса шириной 1,5-3 м, на поверхности которой располагается основная масса клубней. Недостатками копателей швырятельного типа являет­ся большие потери клубней (количество клубней, засыпанных почвой, до 25%), невозможность подбора клубней сразу после прохода копателя, а также повы­шенные повреждения клубней, особенно при работе на сухой почве. Затраты труда на подбор клубней после копателей швыряльного типа на 20-25% выше, чем после картофелекопателей просеивающего типа. К преимуществам копате­лей швыряльного типа относится возможность использования их на почвах повышенной влажности и не засоренных мелкими камнями. К этому типу относится КТН-lA.

Картофелекопатели просеивающего типа подкапывают грядки и переме­щают подкопанный пласт на сепарирующие рабочие органы. Подкопанный пласт вместе с кустами картофеля поступает на элеватор (грохот), почва про­сеивается через зазоры между прутками, клубни, ботва и оставшиеся камни сбрасываются сзади машины на поверхность поля. Затем клубни подбирают рабочие. Для работы более в тяжелых условиях в картофелекопателях устанав­ливают последовательно два-три прутковых элеватора, например, картофелеко­пателе КСТ-1,4 , а также оборудуют их битерами, рыхлителями и сепарирую­щими решетками. Затраты труда на подбор клубней после картофелекопателей просеивающего типа колеблются в пределах 70-130 чел-ч/га в зависимости от урожая и почвенно-климатических условий. К преимуществам этого типа копа­телей относится - меньшие потери клубней, меньше затрат на подбор клубней по сравнению с копателями швырального типа, а также возможность использо­вания их на любых почвах. К недостаткам таких копателей относится прямая зависимость производительности от поступательной скорости агрегата. При высокой скорости движения агрегата значительное количество клубней при сходе с копателя засыпается землей, что затрудняет их подбор рабочими, а также увеличиваются повреждения клубней. К этому типу копателей относятся такие машины, как вибрационный картофелекопатель КВН-2М, картофелеко­патель КТН-2, КТН-2В, КГ-2, ТЭК-2, дисковый картофелекопатель КДН-2 и Z-609/0-2 производства Польши. Картофелекопатели с прицепными перебороч­ными столами, которые указывались выше, целесообразно применять в легких условиях. [4]

Картофелекопатели - валкоукладчики в отличие от обычных картофелеко­пателей, как правило, имеют дополнительные устройства для удаления ботвы из машины и поперечные транспортеры, позволяющие укладывать клубни в узкий валок с двух, четырех или шести рядов. Примером такой машины являет­ся картофелекопатель УКВ-2. при подборе клубней вручную за машиной УКВ-2 затраты труда снижаются на 30-50% по сравнению с подбором картофеля за обычным картофелекопателем, а при подборе комбайном затраты труда сни­жаются на 40-50% по сравнению прямым комбайнированием. Недостатком этих машин является большая металлоемкость копателя. К преимуществам можно отнести возможность использования как при раздельной уборке, так и при комбинированной уборке картофеля, а также меньше затрат труда на под­бор клубней картофеля.

В таблице 2.1 приведены технические характеристики некоторых карто­фелекопателей.

Таблица 2.1 – технические характеристики картофелекопателей

Показатели	УКВ-2	КСТ-1,4	КТН-2В	КДН-2	КВН-2М	Z-609/0-2
Производитель­ность за 1 час чистой работы, га	до 0,4	до 0,91	0,39	до 0,5	до 0,5	0,38
Ширина захвата, м	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4	1,4
Рабочая скорость, км/ч	2,8-5,6	1,93-8,3	2,5-3,2	3,6-5,4	3,6-5,4	2,1-4,5
Количество уби­раемых рядов	2	2	2	2	2	2
Масса с полным комплектом рабо­чих органов, кг	2521	1320	800	700	790	803
Агрегатирование	Тракторами тягового класса 14 кН

Картофелеуборочные комбайны (таб. 2.1.) осуществляют подкапывание грядок, отделения клубней от почвы, ботвы и других примесей и сбор клубней в тару. Комбайны являются наиболее эффективными машинами для уборки картофеля. Комбайны по типу рабочих органов, в свою очередь, бывают:

-элеваторные;

-элеваторно - грохотные;

-элеваторно -барабанные;

-барабанные.

По типу рабочих органов для отделения ботвы бывают:

-грохотные с валиками;

-элеваторные со скребками;

-элеваторные с начиненным прорезиненным полотном и очесывающим прутком;

-с ботвоотводящим устройством, состоящим из горки с вентилято ром.[12]

Приведем, для сравнения, технические данные российских и зарубежных картофелеуборочных комбайнов.

Таблица 2.2. Техническая характеристика картофелеуборочных комбай­нов

Рациональность конструкции картофелеуборочного комбайна, как и дру­гих сельскохозяйственных машин, может, оценена по трем группам показателей:

-агротехническим, характеризующим качество выполнения заданных процессов;

-технико-экономическим, показывающим реальную пользу от примене­ния его в хозяйстве;

-конструктивным, отображающим степень совершенства конструкции (размеры, масса, удельная металлоемкость и т.п.).[5]

Анализ конструкций комбайнов показывает, что наиболее производи­тельными являются четырехрядные самоходные комбайны КСК-4-1 и "Гигант" производства Голландии.

Наиболее сложной и металлоемкой конструкций, вобравшей все лучшие элементы и способной работать в особо тяжелых условиях при повышенной влажности, является самоходный комбайн ДСН-100 производства Германия. [1]

Отличительной особенностью современных картофелеуборочных ком­байнов является широкое применение современных радиотехнических изделий, эффективности сепарации и снижению повреждений при комбайновой уборке. Например, все прутковые элеваторы европейских комбайнов на прорезиненных ремнях.

По количеству убираемых рядов разделяют на:

-однорядные (КТН-1А; "Хассия"; Е-665; Е686);

-двухрядные (КСТ-1,4; УКВ-2; КТН-2В);

-трехрядные (Е-684);

-четырехрядные (КСК-4; "Гигант"; "АВР-Маро"; ККМ-4). По методу агрегатирования разделяются на:

-прицепные (ТЭК-2; ККР-2, К-3; Е-684; "Томас-650");

-навесные (КТН-2В; КВН-2М; КТН-1А);

-навесные на самоходной шасси (ККШ-1) и самоходные (КСК-4; ДСН- 100; "Локвуд").[12]

По типу основного сепарирующего органа разделяются на:

-элеваторные (КСТ-1,4; КТН-2В; ДСН-100; Е-686; Е-665);

-грохотные (Е-372; КГП-2);

-барабанные (комбайн "Амазоне", "Экенгорд");

-с ротационным сепаратором (комбайн "Пакман").

Рисунок 2.1 - Технологическая схема картофелекопателя КСК-4-1

Рисунок 2.2 - Технологическая схема прицепного комбайна Гримме SE-140

2.1.4 Анализ сепарирующих устройств

Одной из основных операций при комбайновой уборке является сепарация почвенно-картофельного вороха, то есть отделение клубней от примесей.

Поэтому основной концепцией для создания технологических схем машин третьего поколения является:

-разработка критериев для создания автоматического режима работы, с использованием экспресс-метода по определению влажности, определения динамической, нагруженности машины от тяговых характеристик машинно-тракторного агрегата (МТА) и рабочих органов в зависимости от процесса сепарации;

-обеспечение наиболее эффективной просевной сепарации при минимальных повреждениях клубней рабочими органами первичного отделения примесей при задании оптимального технологического режима остальным рабочим органам;

-разработка компактных передаточных рабочих органов типа "нория" для подъема картофельного вороха от первичной сепарации к кондиционной доочистке;

- введение кондиционной доочистки вороха на рабочих органах непросевного типа с автоматической настройкой на оптимальную сепарацию клубней от примесей при выбранном технологическом режиме;

-определение остаточного ресурса картофелеуборочного комбайна в зависимости от технологических режимов работы.

Принятое в евро-американских технологических схемах построение процесса сепарации является неприемлемым для картофелеуборочных машин работающих в России. Это связано с тем, что зарубежные машины работают с хорошо структурированными почвами, для которых протряхивание на элеваторах или грохотах первого яруса является достаточным фактором воздействия. Так, структурная почва в диапазоне влажности 15 . 21% хорошо крошится и отделяется от клубней, кроме того, образовавшиеся из нее комки снижают силу взаимодействия клубней с рабочими органами так и между собой. Это позволяет последовательно с учетом сепарации уменьшать скорость перемещения вороха, увеличивая в нем концентрацию клубней и, уменьшая примеси, сохраняя, таким образом, единство процесса сепарации за счет снижения скорости движения вороха по рабочим органам машины.

На бесструктурных суглинистых почвах России в процессе уборки приходится сталкиваться с большим количеством прочных почвенных комков сопоставимых по геометрическим размерам с клубнями. В результате того, что их влажность составляет 7…9 %, они значительно превосходят клубни по прочности. Кроме того, протряхивание вороха на рабочих органах первичной сепарации приводит к образованию скоплений и разрывов между компонентами вороха, что затрудняет сепарацию не только на рабочих органах первого яруса, но и делает ее практически невозможной на органах второго яруса кондиционной доочистки. Здесь дополнительно накладывается пульсация потока вороха от ковшового транспортера. Поэтому способ встряхивания, предложенный Грищенко Ф.В., Успенским И.А., Галкиным В.А. и Симоненко А.П., когда у основного и каскадного элеваторов встряхивающие звездочки повернули относительно друг друга на 90 градусов, оказался эффективным. Благодаря этому встряхивание верхних ветвей элеваторов производилось как в продольном направлении, так и в поперечном. Это улучшило качество сепарации, снизив потери клубней картофеля от засыпания ворохом при сходе с каскадного элеватора по сравнению с копателем, у которого было стандартное положение.

Поэтому появившиеся в последние полтора десятилетия активаторы сепарации, имеющие поперечное движение по отношению к движению вороха на верхней ветви элеватора при первичной сепарации , значительно облегчили работу устройств вторичной сепарации, так как они не изменяют равномерность потока вороха, поступающего в машину.

Активаторы сепарации шнекового типа на настоящем этапе являются в сочетании с прутковыми элеваторами, имеющими самый широкий диапазон работы по влажности почвы, наиболее перспективными рабочими органами. Однако их существенным недостатком является высокая повреждаемость клубней, которая вызвана целым рядом конструктивных и технологических причин.

Первой такой причиной при создании шнеко-элеваторных сепараторов является то, что при работе обычных элеваторов с принудительным встряхиванием или пальцевыми активаторами пассивного или активного типа, максимально используется верхняя ветвь элеватора. Это приводит к тому, что шнек устанавливается перпендикулярно потоку подаваемого вороха, а это требует введения в конструкцию дополнительного отбойного валика для предотвращения потерь клубней и высокой частоты вращения шнека для предотвращения сгруживания вороха между шнеком и элеватором. В свою очередь повышенная частота вращения шнека вызывает высокую скорость перемещения вороха вдоль оси шнека, которая приводит к столкновению двух потоков вороха, движущихся на больших скоростях под углом 90° в зоне выхода вороха из шнека с ворохом, движущимся на элеваторе. В результате такого взаимодействия клубни повреждаются так сильно, что к дальнейшему хранению оказываются непригодны.

Тип UB – для некаменистых комковатых почв. Игольчатый транспортер, в виде пластинчатого транспортера, – для легких и средних почв, в виде пруткового транспортера – для тяжелых почв. Гидравлический привод (опция) и электрическая регулировка наклона (опция) облегчают выбор режимов работы. Автоматическое выравнивание наклона (опция) окупается особенно на холмистых территориях.

Рис. 2.3. Сепарирующее устройства UB типа

Тип SB – для каменистых почв. Стандартный привод игольчатого транспортера – механический. Гидравлический привод даёт возможность регулировки соответственно индивидуальным почвенным условиям (опция). Камни и неправильно направленный картофель попадают непосредственно на удлинёный транспортёр примесей.

Рис. 2.4. Сепарирующее устройство SB типа

Вальцовая предсортировка.

Небольшие комки, камни, остатки ботвы и слишком мелкий картофель выделяются из потока урожая при предварительной сортировке (3 или 5 вальцов). Расстояние между вальцами регулируется бесступенчато посредством центральной системы регулировки в пределах 0–40мм.

Рис. 2.5. Трёхвальцовая предсортировка

Рис. 2.6. Пятивальцовая предсортировка

Вывод:

В связи с вышеизложенным целью настоящей дипломной работы является повышение эффективности процесса комбайновой уборки картофеля путем разработки технологии и средств механизации, обеспечивающих дифференцированное воздействие на почвенно-картофельный ворох при его сепарации применительно к почвам различного типа в зависимости от влажности.