Технология и механизация уборки ботвы сахарной свеклы с обоснованием параметров роторно-швыряльного устройства лопастного типа

Во введении обоснована актуальность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, ф В первой части работы систематизированы основные способы и проблемы механизированной уборки сахарной свеклы, в том числе связанные с несовершенством ботвоуборочных рабочих органов, проведен анализ основных способов механизированной уборки ботвы и технических средств для ее осуществления. Рассмотрены показатели работы существующих ботвоуборочных рабочих органов свеклоуборочных машин, выявлены перспективные направления их совершенствования и на основе этого предложена усовершенство-# ванная конструкция ботвошвыряльного устройства, обладающего более высокими эксплуатационными и технико-экономическими показателями по сравнению с ботвоуборочными рабочими органами серийно выпускающихся свеклоуборочных машин.

В теоретических исследованиях на основе анализа процесса движения ботвы по рабочим поверхностям ботвотранспортирующего рабочего органа разработана новая конструкция ботвошвыряльного устройства, оснащенная специальным питателем, обеспечивающим плавную подачу ботвы в ботвошвырялку и тем самым устранение повреждения ботвы лопастями швыряльного колеса. Разработана методика определения основных параметров ботвошвыряльного устройства, а также представлены его рациональные параметры.

В лабораторных исследованиях изложена методика и проведена экспериментальная проверка теоретических исследований по определению основных параметров ботвошвыряльного устройства. Экспериментально определены траектория и скорость движения ботвы в питателе, а также установлены 4 зависимости величины и направления скорости поступления ботвы на лопасть швыряльного колеса от геометрических размеров и режимов работы питателя.

В результате полевых исследований определено влияние параметров и режимов работы ботвошвыряльного устройства на качественные показатели вороха ботвы. Дана сравнительная оценка энергоемкости разработанного ботвоуборочного устройства и определена степень заполнения кузова прицепа ботвой.

Ф В технико-экономической части работы изложена методика оценки и представлены показатели технико-экономической эффективности использования разработанного ботвоуборочного рабочего органа с центральным питателем на свеклоуборочных машинах.

Условные обозначения.

VM — поступательная скорость движения машины, м/сVmp — скорость транспортера, м/сц — коэффициент, учитывающий угол наклона транспортера к горизонтуZ — количество ботвы на один погонный метр рядкаZ? — количество ботвы на одном скребке;

Vd — предельная допустимая скорость движения машины по техническим нормам, м/с;

Re — радиус барабана, м;

Нс — толщина слоя материала, мhgзазор между барабанами, мр — угол трения материала о поверхность барабана, град.;

G — сила веса;

J — центробежная сила;

Ксила Кориолисате — масса частицы ботвы, кгq — ускорение силы тяжести, м/с2;

СОк — угловая скорость вращения конуса питателя, рад/ср — радиус конуса, проведенный через центр тяжести частицы ботвы, — t — время нахождения ботвы в питателе, са — угол между высотой и образующей конуса питателя, град- /? — угол между касательной к поверхности конуса и прямой, соединяющей центр тяжести пучка боты с осью направляющей конуса, граду — угол между направляющей и образующей конуса, град- 9 — угол в вертикальной плоскости между направлением вектора силы Кориолиса и касательной к поверхности конуса, град;

Hq — расстояние от центра тяжести пучка ботвы до точки поверхности конуса, ммhH — радиус поперечного сечения направления, мм;

5Fугол поворота конуса центрального питателя, град;

F1 — сила трения ботвы по поверхности конуса;

F2 — сила трения ботвы по поверхности направляющей;

— коэффициент трения;

К]иК2- корни характеристического уравнения;

С] и С2 — постоянные интегрирования;

V0 — скорость подачи ботвы шнековым транспортером, м/с;

R0 — радиус швыряльного колеса, м;

СОл — частота вращения швыряльного колеса, об/с;

V" - нормальная составляющая скорости выхода ботвы с лопасти швыряльного колеса, м/с;

V, — тангенциальная составляющая, м/сtj, — время нахождения частицы ботвы на лопасти швыряльного колеса, с;

Да — диаметр шнекового транспортера, м;

D0 — входной диаметр конуса центрального питателя, м;

— зазор между шнеком и желобом шнекового транспортера, ммЯ — высота конуса центрального питателя, мh — высота направляющей, м;

Нб — толщина нижнего слоя ботвы, находящейся в питателе, м- /ш — длина шнекового транспортера, мtm — шаг шнека, мтвор — масса вороха ботвы на шнековом транспортере, кгЯвор ~ требуемая подача вороха ботвы, кг/сVKC — скорость киносъемки, кадр/с;

СОш — частота вращения шнека, об/с;

Xf и X? — соответственно кодированные и натуральные значения /-го фактора;

5/- натуральное значение интервала варьирования z-го факторав0 — коэффициент регрессии при свободном членев (- коэффициент регрессии для линейных членовв/j — коэффициент регрессии для членов смешанного взаимодействия;

Nчисло опытовx,-j — значение j-ro фактора в j-ом опытеxq-} - значение q-ro фактора в j-ом опытеfu — число степеней свободы каждой оценкиа2аддисперсия адекватностиyj — среднее значение параметра оптимизации в j-ом опыте при «ш» по-вторностяхfadчисло степеней свободы дисперсии воспроизводимостиf- число степеней свободы экспериментаау~ дисперсия воспроизводимостиaj — дисперсия j-ом опыте;

Gmax — однородность дисперсииfN — число независимых оценок дисперсии;

S — подача вороха ботвы, кг/с;

Afкрутящий момент на валу швыряльного колеса, кг-м;

Nпотребная мощность, кВт;

Vnокружная скорость вращения лопасти, м/са- коэффициент поперечного скольжения, м/сс.

Vx — тангенциальная составляющая скорость движения ботвы, м/с;

V* - тангенциальная составляющая скорости движения точки поверхности конуса, м/с;

Бсколичество целых пучков ботвы;

Ээ — годовой экономический эффект, руб.;

3] и З2 — приведенные затраты на единицу работы, руб/га;

В2- годовой объем работ, выполненных машиной, га;

Зэке — эксплуатационные затраты, руб/га;

Н&bdquo- - нормативная прибыль от капитальных вложений, руб/га;

Заамортизационные отчисления, руб/га;

Б — балансовая стоимость машины, руб;

Hd — норма амортизационных отчисления, %;

Тгод — годовая загрузка машины, ч;

Wz — производительность машины, га/ч;

Яоптовая цена машины, руб;

Кп — коэффициент, учитывающий издержки на доставку машины в хозяйство;

Вр — ширина захвата агрегата, м;

Vr — рабочая скорость машины, км/чг — коэффициент использования сменного времени;

Темпродолжительность смены, ч;

Тто — время техобслуживания, ч;

Тц — время простоя из-за технических неполадок, ч;

Тх — время на холостые заезды, ч;

Зто — затраты на техобслуживание и ремонт, руб/га;

Нто — норматив затрат на техобслуживание и ремонт, %;

Згсм — затраты на горюче-смазочные материалы, руб/га;

Нгсмнорма расхода горюче-смазочных материалов, кг/га;

Цгсм — комплексная цена горюче-смазочных материалов, руб/кг.

Зхр — затраты на хранение техники, рубхр — норматив затрат на хранение одной машины, руб;

Sk — площадь, занимаема машиной, м2;

О 1.

КХр — удельная стоимость 1 м машиноместа, руб/ м ;

Нхрнорматив затрат на амортизацию и ремонт мест хранения техники, %.

Зо — оплата труда механизаторов, руб/га;

Стар — тарифная ставка механизатора за выполняемую работу, руб/чЯ// - нормативная прибыль от капиталовложений, руб/га;

Ен — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений;

Ку — удельные капиталовложения, руб/га;

Эп — экономический эффект от снижения потерь, руб/гаап — коэффициент снижения потерь;

Уб — средняя урожайность ботвы, т/га;

Цб~цена свекловичной ботвы, руб/т.

По производству сахарной свеклы Россия занимает одно из ведущих мест в мире.

Являясь сырьем для сахарной промышленности, эта культура имеет значительные преимущества перед другими корнеплодами по своим кормовым качествам. Особенно ценным кормовым резервом является побочный продукт при уборке свеклы — ее ботва. Она обладает высокой питательностью. Так, например, один центнер ботвы сахарной свеклы содержит 20 кормовых единиц и 2,2 кг переваримого протеина, а силос, приготовленный из ботвы сахарной свеклы, содержит переваримого протеина больше, чем силосованный клевер (1,9 кг) [57].

Большие площади возделывания сахарной свеклы и высокие кормовые качества свекловичной ботвы позволяют создать ценную кормовую базу для животноводческих ферм. Однако, весь путь развития механизации уборки сахарной свеклы показывает, что, начиная со времени появления первых свеклоуборочных комбайнов, основное внимание уделялось механизации уборки корневой части, и поэтому уровень механизации уборки ботвы всегда отставал от уровня механизации уборки корней. Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью свеклоуборочные и ботвоуборочные машины работают недостаточно эффективно в части уборки ботвы. Это приводит к большим потерям свекловичной ботвы, снижению ее кормовых качеств, а также увеличению трудозатрат на ее уборку. Снижение трудозатрат при уборке ботвы, сохранение качества и уменьшение потерь можно достигнуть применением поточной технологии уборки всего биологического урожая сахарной свеклы. Эта технология предусматривает подачу корней и ботвы из комбайна в мобильные емкости, отвозку корней на место хранения, а ботвы — на животноводческую ферму или место силосования.

В настоящее время для осуществления данной технологии в части уборки ботвы широкое распространение получили ботвоуборочные машины, в которых срезанная ботва передается на прутковый транспортер, которым сбрасывается в кузов мобильной емкости. Для увеличения скорости и дальности подачи ботвы в кузов мобильной емкости на выходе пруткового транспортера установлен барабанный ботвометатель.

Прутковые транспортеры хотя и обеспечивают сохранность качества ботвы, но не позволяют полностью загрузить кузов прицепа ботвой и равномерно распределить ее по нему.

Барабанные ботвометатели в какой-то степени решают вопрос эффективной загрузки кузова прицепа, однако они не обеспечивают надлежащего качества ботвы, из-за смятия ее при прохождении между барабанами. Кроме того, барабанные ботвометатели полностью заполнить могут только емкости небольшого объема, имеющие ширину, близкую к ширине барабанов, а потери ботвы при уборке ее барабанными метателями значительно превышают допустимые нормы по агротехническим требованиям. Поэтому возникла необходимость в изыскании, исследовании и усовершенствовании ботвоуборочного рабочего органа, позволяющего эффективно заполнить мобильные емкости и сохранить при этом кормовые качества ботвы.

Целью настоящей работы является усовершенствование ботвоуборочного рабочего органа свеклоуборочной машины, обеспечивающее высокую производительность, сохранение качества ботвы и эффективное заполнение мобильной емкости ботвой, на основе обоснования параметров ботвошвыряльного устройства и применения нового способа и механизма подачи ботвы в швырялку.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

— обобщить результаты исследований применения различных конструкций ботвоуборочных рабочих органов свеклоуборочных машин и выявить перспективные направления их совершенствования с учетом требований поточной технологии уборки сахарной свеклы;

— усовершенствовать ботвоуборочное устройство швыряльного типа на основе применения нового способа и механизма подачи ботвы в швырялку, обеспечивающих высокую производительность, равномерное и полное заполнение мобильной емкости ботвой при сохранении ее кормовых качеств;

— на основании проведенных теоретических исследований определить и обосновать параметры ботвошвыряльного устройства с центральным питателем;

— путем лабораторных исследований проверить результаты теоретических исследований и уточнить теоретически обоснованные параметры ботвошвыряльного устройства с центральным питателем;

— изучить теоретическим и экспериментальным путем движение материала в ботвошвыряльном устройстве и определить влияние его параметров на качество убранной ботвы и степень заполнения мобильной емкости ботвой;

— исследовать в полевых условиях работу свеклоуборочных и ботвоуборочных машин с разработанным ботвоуборочным рабочим органом — ботвош-выряльным устройством с центральным питателем;

— определить экономическую эффективность применения свеклоуборочных и ботвоуборочных машин с ботвошвыряльным устройством.

Основные положения, выносимые на защиту:

— разработанное нами ботвошвыряльное устройство к свеклоуборочному комбайну (авторское свидетельство № 324 979 и патент РФ на полезную модель) обеспечивает полную и равномерную загрузку кузова мобильной емкости и сохранность кормовых качеств ботвы;

— основные параметры и режимы работы ботвошвыряльного устройства с центральным питателем: необходимая и достаточная высота конуса питателя Н= 0,28−0,30 м, входной диаметр конуса питателя Д,=0,5−0,55 м, угол наклона образующей конуса к его высоте, а = 28−32°, угол между направляющей и образующей питателя у = 35−40°, высота направляющей питателя h = 28−30 мм, частота вращения конуса питателя СОк= 9−11 об/с, диаметр швыряльного колеса DM 0,86 м, частота вращения швыряльного колеса СОш =10 об/с;

— применение ботвошвыряльного устройства с центральным питателем обеспечивает снижение эксплуатационных затрат и уменьшение потерь ботвы, за счет чего достигается экономический эффект в размере 441,3 руб/га или 17 652,0 руб. в год на одну машину при годовой выработке 40 га.

— разработанный ботвоуборочный рабочий орган — ботвошвыряльное устройство с центральным питателем позволяет довести полноту загрузки объема мобильной емкости до 100−110% и сохранить при этом высокие кормовые качества ботвы.

В процессе теоретических и экспериментального исследований при участии автора было разработано несколько конструкций ботвошвыряльного устройства. На одну из них получено авторское свидетельство СССР на изобретение № 324 979 и положительное решение на выдачу патента на полезную модель по заявке № 2 006 110 071/22(10 951).

Общие выводы.

1. Установлено, что наиболее эффективной конструкцией ботвоуборочного рабочего органа свеклоуборочной машины является разработанное ботвош-выряльное устройство, защищенное авторским свидетельством № 324 979 и положительным решением на выдачу патента по заявке № 2 006 110 071/22(10 951). Оно лучше других устройств обеспечивает заполнение кузова мобильной емкости ботвой и отвечает агротехническим требованиям на уборку ботвы сахарной свеклы на кормовые цели для скармливания животным. Выявлено, что основным недостатком ботвошвыряльного устройства является дробление ботвы лопастями швыряльного колеса, из-за чего выделяется сок, который перемешиваясь с остатками почвенных примесей, загрязняет ворох ботвы.

2. В результате теоретических исследований получены математические зависимости, расчетные формулы и обоснованы основные параметры ботвошвыряльного устройства:

— входной диаметр (D0), мм — 500−550;

— высота конуса (Я), мм — 280−300;

— угол между образующей и высотой конуса (а), град — 28−32;

— угол между направляющей и образующей (у), град — 35−40;

— частота вращения (сок), с" 1 — 9−11;

— количество направляющих (п), шт. — 4;

— высота направляющей {К), мм — 28−30.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что при работе ботвоуборочного рабочего органа на основе разработанного ботвошвыряльного устройства с центральным питателем достигнутые эксплуатационные показатели укладываются в нормы агротехнических требований (количество поврежденных листьев — 4,13%) — количество целых пучков — более 60%).

4. Результаты полевых испытаний показали высокую работоспособность разработанного ботвоуборочного рабочего органа. В ходе испытаний было установлено, что энергоемкость ботвошвыряльного устройства с центральным питателем при максимальной подаче вороха ботвы (22,5 кг/с) составляет 8,2 кВт, что значительно ниже энергоемкости аналога — барабанного метателя ботвоуборочной машины БМ-6.

5. Опыты по определению равномерности и полноты заполнения кузова прицепа ботвой показали, что ботвошвыряльное устройство обеспечивает полную (до 110% объема) и равномерную загрузку кузова без применения ручного труда, обеспечив при этом минимальный процент потери ботвы (менее 5%).

6. Экономический эффект от внедрения нового ботвоуборочного рабочего органа свеклоуборочной машины — ботвошвыряльного устройства с центральным питателем по сравнению с ботвометателем барабанного типа машины БМ-6 составляет 441,3 руб./га или 17 652,0 руб. в год на одну машину при годовой выработке 40 га.

Граница экономической эффективности по цене составляет 355 тыс. руб., что превышает расчетную на 27,2%.