Пути развития конструкций рабочих органов картофелеуборочных машин

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 клубней в тару или в транспортные средства.

Практическое применение имеют три способа уборки:

• 1)    выкапывание клубней картофелекопателями с укладкой их на поверхности и последующим ручным подбором;

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

• 3)    уборка комбайнами.

Остановимся на рассмотрении проблем повреждения клубней картофеля, как одной из важнейших, потому что от нее зависит качество убранного урожая. В частности, повреждения клубней картофеля при уборке являются одним из препятствий для использования машинной технологии.

На сегодня есть два направления исследований, направленных на снижение механических повреждений при уборке [4]:

• 1)    совершенствование конструкций картофелеуборочных машин;

• 2)    селекция сортов пригодных для механизированной уборки.

Если проанализировать первое направление, то до последнего времени господствовали следующие точки зрения или направления: европейское и российское. В нашей стране направление развития картофелеуборочной техники предполагало создание универсальных конструкций, предназначенных для работы в разных климатических и географических зонах. Европейская же наука предлагала создавать конструкции машин, предназначенных для конкретных почвенных и климатических зон. На наш взгляд данное направление наиболее перспективное.

Условия и методы исследований. На первый взгляд уборка копателями выгоднее, чем уборка комбайнами. Так, производительность двухрядного комбайна составляет в среднем 0,44 га/ч, в то время как копателя – 0,6-0,7 га/ч, да и расход топлива у трактора при этом меньше в 1,9 раза. К тому же техническое обслуживание и ремонт копателей проще. Но уборка копателями была выгодна в советское время, когда была возможность привлекать на уборку дешевую рабочую силу из города. Однако в настоящее время необходимо тяжелый ручной труд по подборке картофеля хорошо оплачивать. Помимо этого, ручной подбор сопровождается большими потерями в виде присыпанных клубней. Так, по данным М.Б. Угланова [1], потери при уборке копателями достигают 30 %.

Конечно, комбайновая уборка перспективнее, чем уборка копателями, поэтому мы и остановились на изучении данного вида уборки.

При комбайновом способе уборки различают три варианта: прямое комбайнирование, раздельная (двухфазная) комбайновая уборка (подбор комбайнами валков, заранее уложенных на поверхность поля картофелекопателями) и уборка комбинированным способом.

Прямое комбайнирование используют в условиях удовлетворительной и хорошей сепарации вороха на комбайнах на легких и средних по механическому составу почвах, где комбайн может отделять почву от клубней.

В Забайкалье в 1930-1950-е гг. основным способом уборки был раздельный с применением картофелекопателей и с последующим ручным подбором урожая. В 1960-е гг. этот способ постепенно заменяется на более производительное прямое комбайнирование, которое с этого периода и фактически до настоящего времени является главным способом уборки в картофелеводстве региона [2].

Однако при всей перспективности уборки картофеля комбайнами, при данном способе уборки наблюдается больший процент поврежденных клубней, чем при других.

В процессе машинной уборки основную долю в повреждаемости клубней занимают перепады и воздействия сепарирующих рабочих органов, т.е. ударные нагрузки на клубни. Н.И. Верещагин [3] также отмечает, что от борозды до бункера комбайна клубень за отрезок времени от 14 до 33 с воспринимает 4^7 статических и 53^84 динамических (ударных) нагрузок. Поэтому исследования процесса соударения клубня с другими телами позволяет раскрыть механизм его повреждения.

Многие исследователи указывали на большую зависимость механических повреждений клубней от конструкции и формы рабочих органов. Так, например, М.Т. Ткачев показал, что лопастной элеватор в 2,65 - 6,53 раза производительнее пруткового элеватора при одинаковой повреждаемости клубней . Г.П. Солодухин исследовал роторный сепарирующий рабочий орган и отметил, что при хорошем крошении пласта почвы повреждения клубней наименьшие (4-5 %). П.К. Белевич указывал, что применение ротационных рабочих органов (битеров) также позволит снизить повреждаемость клубней картофеля при уборке. П.Т. Тукс отмечал, что картофелекопатели швыряльного типа гораздо меньше повреждают клубни, чем копатели с элеваторами. А.И. Бжезовская тоже склонялась к выводу, что ротационные рабочие органы: прутковые роторы, ротационные сепараторы, битерные сепараторы и другие по характеру динамического воздействия отличаются от элеваторов и грохотов , что позволяет создавать более высокие скорости соударения, необходимые для разрушения почвенных комков при допустимых повреждениях клубней. А.И. Бжезовская также отмечала, что в случае пруткового элеватора при изменении диаметра прутков изменяется степень механических повреждений клубней. Так, объем поврежденной при ударе ткани увеличивается с уменьшением диаметра прутка до определенного значения скорости соударения, после которого зависимость меняет свой характер на противоположный: чем меньше диаметр прутка, тем меньше величина повреждения. Таким образом, конструкция и форма рабочих органов оказывает значительное влияние на степень механических повреждений клубней.

Режимы работы рабочих органов также оказывают огромное влияние на степень механических повреждений клубней при прочих равных условиях. В этом случае основное внимание надо уделять скорости соударения клубня с рабочим органом, так как скорость соударения зависит не только от высоты падения клубня, но и от скорости самих рабочих органов. Так, например, если при падении клубня на прутковый элеватор с высоты 0,25 м (скорость клубня 2,2 м/с) вертикальная составляющая скорости элеватора будет 0,7 м/с, то скорость соударения клубня с колеблющимся полотном элеватора составит уже 2,9 м/с.

С 1985 по 1990-е гг. мы, обучаясь в аспирантуре, принимали участие в научно-исследовательских работах по темам: «Разработать и внедрить механизированную технологию возделывания и уборки картофеля в селекционно-семеноводческих питомниках» (№ ГР 135788) и «Разработать средства механизации посадки и уборки картофеля в селекционно-семеноводческих питомниках» (№ ГР 81096125), куда входил пункт по разработке однорядного картофелеуборочного комбайна ККУ-1.

Дальнейшее совершенствование конструкции картофелеуборочного комбайна ККУ-1 с целью повышения производительности привело к созданию новой модификации ККУ-1А-01 (рис. 1).

Было изготовлено два опытных образца картофелеуборочного комбайна ККУ -1А-01, которые успешно прошли два раза (в 1995 и в 1996 гг.) испытания на Владимирской государственной машиноиспытательной станции.

Владимирская МИС по результатам испытаний рекомендовала данный однорядный картофелеуборочный комбайн для производства.

Наши исследования показали, что основное влияние на повреждаемость картофеля оказывают сепарирующие рабочие органы и перепады с одного рабочего органа на другой (до 95 % повреждений). К тому же, действительно, клубни картофеля, как любой другой живой организм, по разному реагируют на динамические воздействия на рабочие органы при разных условиях влажности и состава почвы.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ литературных источников и проведенные нами предварительные эксперименты позволили нам установить основные факторы, влияющие на повреждаемость клубней картофеля, и пределы их изменения.

После обработки экспериментальных данных мы получили следующую математическую модель повреждаемости клубней картофеля комбайнами:

у = 10,51 - 4,53 x 1 - 1,03 x ₂ + 15,05 x ₃ - 0,998 x ₁ x ₃ + 11,58 х ,² + 5,34 x ₂ ² + 18,14 x ₃ ² ,               (1)

Рис.1. Комбайн картофелеуборочный однорядный ККУ-1А-01: вид спереди справа: 1 - рама; 2 - каток опрессовывающий; 3 - основной элеватор с подкапывающей секцией

Анализируя данную математическую модель (1), можно сделать вывод, что повреждаемость клубней картофеля при уборке комбайнами зависит в большей степени от конструктивных особенностей уборочных машин (51 %), затем от сортовых отличий (33 %) и уже потом от рабочей скорости (16 %).

Наши выводы подтверждают исследования Д.Н. Порошина [5], который, пользуясь методом множественного регрессионного анализа, получил следующую зависимость повреждения клубней от изменения длины сепарирующей поверхности, угловой скорости вращения сепарирующих валов и скорости движения уборочного агрегата :

Р_к = 1,418 + 0,539 • X, + 0,553 • X, + 0,838 • X. + 0,149 • X ,² + 0,15 • X, • X, + К    12  3  112

+ 0,15 • X 1 • X ₃ + 0,331 • X ₂ • X ₃.

Как видно из уравнения, на общее повреждение клубней влияют не только сами факторы, но и квадрат первого, а также парное взаимодействие первого и второго, первого и третьего, второго и третьего факторов.

Анализируя данную модель, Д.Н. Порошин [5] делает следующие выводы. Повреждения клубней частично повышаются при увеличении длины сепарирующей поверхности и угловой скорости вращения сепарирующих валов. Это связано с тем, что при увеличении длины сепарирующей поверхности к сходу с сепаратора клубни картофеля перемещаются практически без почвенных частиц, что ведет к увеличению повреждений, но в пределах требований агротехники. Увеличение повреждаемости клубней с усилением угловой скорости объясняется тем, что повышается скорость соударения клубней с рабочими элементами сепаратора.

Данный вывод подтверждается исследованиями Р.Ю. Соловьева [6]:

Y ₆ = 0,0196017 • P ₃ • P ₁₄ + 0,773474 • P ₁₂ • P ₁₄ - 0,07367 • P ₁₇ • P ₁₄ + 7,45534 • R ₅ +

+ 0,138228 • R ₃ • R ₄ - 0,0391869 • R ₄ • R ₇ + 0,0257428 • R ₂ • P ₇ + 0,0517033 • P ₁₃ • R ₄ +      ⁽³⁾

+ 2,13151 • P ₁₄ • R ₅ - 1,51845  • P ₁₇ • R ₅ - 0,0356566  • P ₁₄ • R ₇ + 0,00421785   • P ₉ • R ₇ .

Из математической модели Р.Ю. Соловьева (2) следует, что влияют следующие факторы, в порядке убывания весомости: R5 - давление в комкодавителях; P14 - масса камней; P17 - температура почвы; P12 – твердость почвы на глубине 0 – 25 см; R3 и R4 - амплитуда встряхивания первого и второго встряхивателя; P13 – влажность почвы на глубине 0 – 25 см; R7 - угол наклона устройства отделения ботвы и т.д.

Таким образом, повреждаемость клубней картофеля при уборке его машинами зависит, прежде всего, от особенностей конструкции этой машины: давления в комкодавителях, амплитуды встряхивания сепарирующих органов, угла наклона устройства отделения ботвы и т.п., а затем от условий среды: массы камней, температуры, твердости и влажности почвы и т.д. Причем зависимость от физико-механических свойств и типа почвы очень существенная.

Выводы. Поскольку на условия окружающей среды человеку воздействовать пока трудно, то создать универсальную конструкцию комбайна, удовлетворяющую многообразию условий выращивания картофеля (в России) на данном этапе развития техники проблематично, к тому же урожайность картофеля в значительной степени зависит от его территориального размещения. Поэтому в России, с ее крупными географическими масштабами, на наш взгляд, экономически выгоднее крупное производство картофеля размещать в районах с наиболее благоприятными для этой культуры почвенноклиматическими условиями (как в США), а картофелеуборочную технику производить (по западноевропейскому направлению) предназначенную для определенных конкретных условий: почвы и климата. При разработке же перспективных технологических схем картофелеуборочных комбайнов предпочтение следует отдавать комбайнам с минимальным: количеством перепадов и длиной сепарирующих элеваторов.

Итак, на наш взгляд, наиболее перспективными являются следующие пути развития конструкций рабочих органов картофелеуборочных машин:

• 1)    обоснование оптимального технологического процесса механизированной уборки картофеля для каждой почвенно-климатической зоны России, где он возделывается;

• 2)    создание принципиальных схем картофелеуборочного комбайна для конкретных почвенноклиматических условий;

• 3)    создание конструкций рабочих органов для определенных почвенно-климатических условий.