Повышение эффективности механизированных процессов производства картофеля в зоне Урала путем совершенствования технических средств для ресурсоемких технологических операций

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение эффективности механизированных процессов производства картофеля в зоне Урала путем совершенствования технических средств для ресурсоемких технологических операций

Специальность 05.20.01 - Технологии

и средства механизации сельского хозяйства

Охотников Борис Лазаревич

Челябинск - 2009



Работа выполнена на кафедрах «Эксплуатация машинно-тракторного парка» федеральных общеобразовательных учреждений высшего профессионального образования «Уральская государственная сельскохозяйственная академия» и «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный консультант: заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Дорохов Аркадий Порфирьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Капов Султан Нануович

доктор технических наук, профессор Давлетшин Мударис Мубаракшанович

доктор технических наук, профессор Костюченков Николай Васильевич

Ведущая организация Южно-Уральский научно-исследовательский институт плодоовощеводства и картофелеводства (ЮУНИИПОК)

Защита состоится 12 февраля 2010 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан « » декабря 2009 года и размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки России http://vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Басарыгина Е.М.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Программы развития подотрасли производства картофеля, перевода его на индустриальную основу разрабатываются в многих областях и краях. Тормозом индустриализации производства является сокращение числа крупных производителей картофеля, при росте объемов производства фермерскими и личными подсобными хозяйствами, где трудозатраты в пять и более раз выше, чем в специализированных предприятиях с индустриальной технологией производства. В некоторых муниципальных образованиях основной удельный вес производства картофеля (до 90%) приходится на индивидуальные и личные подсобные хозяйства.

Отсутствие во многих хозяйствах системы машин для комплексной механизации производства картофеля и рациональной системы перемещения продукции от поля до потребителя обусловливает большой недобор продукции и высокие трудозатраты.

Мировой опыт свидетельствует об эффективности укрупнения предприятий, занимающихся производством картофеля. В США фермы, выращивающие картофель на площадях 100 и более гектаров, производят свыше 70% его валового производства.

Анализ показал, что затраты труда механизаторов на междурядной обработке посадок, уборке картофеля копателем, транспортировке урожая в три раза превышают средние значения по технологии, а суммарные эксплуатационные затраты средств на посадке, уборке и закладке на хранение превышают средние значения в 2,0-2,5 раза.

На основании раскрытия причинно-следственной связи составляющих производства картофеля центральная гипотеза исследования сформулирована следующим образом: повышение эффективности производства картофеля возможно путем совершенствования наиболее затратных (пиковых по величине относительно других) составляющих технологии производства и технических средств по ее реализации на основе формирования профиля клубненесущего слоя, исключающего уплотнение его в период ухода за посадками, повышения степени механизации погрузочных работ и проходимости транспортных агрегатов.

Работа выполнена согласно заданию 16.06 и заданию 0.СХ.108 «Разработать и внедрить комплекс мероприятий по повышению эффективности использования …тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин для Нечерноземной зоны РСФСР», программе «Нечерноземье», областным комплексным программам развития производства картофеля.

Цель работы. Повышение эффективности производства картофеля путем совершенствования состава, технико-технологических параметров и эксплуатационных характеристик технологических комплексов с учетом почвенно-климатических условий производства.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели и подтверждения выдвинутой гипотезы в работе решались следующие задачи.

1. Провести системный анализ технологии возделывания картофеля с учетом зональных особенностей и определить пути совершенствования технических средств для ресурсоемких технологических операций.

2. Обосновать агротехнические и технологические факторы, влияющие на формирование профиля клубненесущего слоя (КНС), и разработать методику его проектирования.

3. Разработать рабочие органы для формирования КНС и комплекс технических средств по возделыванию картофеля с учетом почвенно-климатических условий.

4. Обосновать параметры разработанных технических средств и определить эксплуатационные характеристики комплекса машин для возделывания и транспортирования картофеля в условиях производства.

5.Разработать рекомендации по формированию и использованию комплекса технических средств по производству картофеля применительно к почвенно-климатическим условиям Среднего Урала. Выполнить технико-экономическую оценку комплекса машин для реализации технологий.

Объект исследования. Механизированные процессы возделывания и транспортирования картофеля.

Предмет исследований. Закономерности функционирования технических средств и их элементов при реализации технологических процессов возделывания и перемещения картофеля с учетом факторов, оказывающих влияние на технико-экономические показатели объектов исследования. агротехнический картофель клубненесущий

Научная новизна. Разработана методология и выполнена оценка значимости факторов, влияющих на ресурсоемкость производства картофеля в условиях Среднего Урала.

На основе агротехнических требований предложена и апробирована методика формирования профиля клубненесущего слоя, адаптированная к конкретным почвам и производственным условиям региона.

На основе теоретических исследований усовершенствованы рабочие органы для формирования клубненесущего слоя в виде гряды путем сближения гребней с одновременной междурядной обработкой, позволяющие обеспечить рациональную высоту профиля КНС и создать технологическую колею, проведена экспериментальная оценка технологии в производственных условиях Среднего Урала.

Создан и апробирован в производственных условиях агрегат, формирующий в процессе междурядной обработки посадок картофеля гряду (технологическую колею), что позволяет снизить уплотнение клубненесущего слоя последующими операциями и повысить технико-экономические показатели (ресурсоемкость) технологии производства картофеля.

Установлены рациональные параметры и оптимальные технологические режимы комбинированного технологического агрегата для конкретных условий эксплуатации Среднего Урала, позволяющие повысить технико-экономические показатели его работы.

Разработаны мероприятия и технические средства по снижению ресурсоемкости транспортного обеспечения перевозки урожая картофеля.

Разработана конструкция мягкого оборотного контейнера (МОК) для упаковки картофеля при уборке, оптимизирована его грузовместимость, предложены строповочные устройства для работы с ним.

Исследован процесс перераспределения нагрузки между осями агрегата (тракторного прицепа и трактора) при использовании ГСВ, установлены зависимости нагрузок от давления в системе и конструктивных параметров агрегата, позволившие разработать технические средства повышения проходимости транспорта в сложных условиях движения.

Разработаны и апробированы в производственных условиях рекомендации по использованию предлагаемых конструкций.

Предложена методика оценки комплекса технических средств по производству картофеля, позволяющая установить наиболее ресурсоемкие операции и в результате их совершенствования минимизировать затраты на их выполнение в заданных условиях производства.

Практическая ценность и реализация результатов

исследований

Оптимизированы параметры технических средств, определены состав и структура комплексов машин по возделыванию картофеля, адаптированные к конкретным почвенно-климатическим условиям, позволяющие снизить ресурсоемкость технологического процесса его производства.

Разработаны рабочие органы и усовершенствованы машины по формированию клубненесущего слоя при возделывании картофеля для условий Среднего Урала, позволяющие улучшить условия вегетации и уборки урожая.

Разработаны и апробированы в производственных условиях средства механизации погрузочно-разгрузочных работ при уборке картофеля в конкретных почвенно-климатических условиях Среднего Урала, позволяющие повысить проходимость транспортных агрегатов и обеспечивающие своевременность вывоза урожая с поля, особенно в неблагоприятных условиях работы.

Научно-техническим советом министерства сельского хозяйства Свердловской области принято решение о внедрении результатов исследований в производство. Решением исполнительного комитета Свердловского областного совета народных депутатов №94 от 05.03.1987 года поставлена задача изготовить для предприятий области 95 тысяч МОК.

Решением проблемного совета от 12.02.1982 года по выполнению задания 16.06 и задания 0.СХ.108 «Разработать и внедрить комплекс мероприятий по повышению эффективности использования тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин для Нечерноземной зоны РСФСР» одобрены разработки Свердловского СХИ по внедрению в производство комбинированных агрегатов и средств повышения проходимости тракторных транспортных агрегатов.

Результаты исследований одобрены и рекомендованы к внедрению научно-техническим советом Межрегионального комитета по сельскохозяйственному машиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона 08.04.2007 г.

Отдельные разработки внедрены в производство предприятиями Свердловской области, в том числе совхозами «Криулинский», «Хромцово», «Косулинский», СПК «Первоуральский», Бисертским заводом сельскохозяйственных машин, а также фермерскими хозяйствами. Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Уральская государственная сельскохозяйственная академия» и ФГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения результатов исследования докладывались на совещании отделения ВАСХНИЛ по НЗ РСФСР (1982 г.), научно-техническом совете министерства с.х. Свердловской области (1984 г.), научных конференциях УралНИИСХОЗа (1985 г.), на международных, республиканских и региональных научных конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета (1966 - 2007 гг.), Уральской государственной с.-х. академии (1966 - 2007 гг.), Белорусской с.-х. академии (1972 г.) и других.

Публикации. По результатам исследований опубликованы три монографии, более 50 научных работ и рекомендаций, изданных в центральных и региональных журналах, сборниках научных работ в различных издательствах. Восемь разработок по теме признаны изобретениями, на которые получены авторские свидетельства и патенты.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего в себя 251 наименование, и 43 приложений. Общий объем работы составляет 273 стр., включая 15 таблиц и 83 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность исследования, перспективность производства картофеля, необходимость повышения эффективности его возделывания и уборки.

В первой главе «Проблемы производства картофеля. Практическая и научная актуальность совершенствования средств механизации» приведены результаты анализа состояния производства с точки зрения социальной потребности, ресурсосбережения и продовольственной безопасности. Показано соответствие разрабатываемой темы отраслевым направлениям НИР.

Совершенствованию технологий и средств производства картофеля посвящено научные и экспериментальные работы Н.И. Верещагина, В.И. Виноградова, А.П. Дорохова, А.И. Замотаева, Ю.П. Ковырялова, Ю.Л. Колчинского, Г.В. Корнева, В.М. Кряжкова, А.Е.Кузнецова, Р.М. Латыпова, В.М. Лубенцова, В.Г.Николаева, К.А.Пшеченкова, В.И.Старовойтова, В.В.Тульчеева и других.

Анализ работ показал, что существующее положение в производстве картофеля не отвечает современным требованиям. По данным Г.Г. Косачева и В.В. Тульчеева затраты труда на производство клубней в коллективных предприятиях в 2,1-2,8 раза выше таковых при производстве зерна. Несмотря на высокие затраты, урожайность картофеля остается низкой по многим причинам. Одной из причин являяются отсутствие комплекса технических средств по реализации технологий и их неудовлетворительные показатели в реальных условиях.

Выходом из создавшегося положения является внедрение ресурсосберегающих технологий, адаптированных для конкретных условий возделывания. Для реализации этого направления производство должно быть обеспечено высокопроизводительной техникой, приспособленной для работы в зональных почвенно-климатических условиях. Решение проблемы возможно при переходе от совершенствования отдельных звеньев производства к комплексному решению проблем по всей технологической линии.

Наибольшее распространение в мире по профилю клубненесущего слоя получили гребневая и грядовая технологии возделывания картофеля. Гребневая применяется под названиями Заворовская, Голландская и другие. Грядовая (грядово-ленточная) технология находит применение на Дальнем Востоке, в Тверской, Омской, Московской и других областях. Совершенствованием технологий и технических средств занимались или занимаются ВНИИКХ, ВИМ, ВИСХОМ, ЦНИИМЭСХ, УНИИМЭСХ, ЧИМЭСХ-ЧГАУ, ВНИИМЗ, НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР, АгроНИИТЭИИ ТО, УралНИИСХ, УрГСХА и другие организации.

На основе изучения состояния производства определено направление в совершенствовании технологии - возделывание картофеля по грядово-ленточной технологии с обработкой почвы по голландской технологии.

Анализ составляющих производства показал, что изучение и решение проблемы совершенствования технологических операций и технических средств по их реализации возможны только на основе системного подхода. Решение проблемы заключается в установлении наиболее ресурсоемких составляющих системы, в том числе технологических операций, машин и их рабочих органов.

Вторая глава «Методологические основы проектирования механизированных технологий и технических средств по производству картофеля» посвящена решению проблемы повышения эффективности составляющих комплекса машин по производству картофеля на основе учета взаимодействия различных факторов в рамках системного подхода. Одна из основ-ных задач системного анализа - объединять математические и неформальные методы анализа, строгие способы исследования формализованных моделей с экс-периментом, эвристическими приемами.

Методология исследования составляющих первого уровня базируется на технических науках. В разрабатываемой теме наибольшее значение для первого уровня имеют вопросы, связанные с исследованиями рабочих органов для выполнения отдельных технологических операций.

Объектом исследования составляющих второго уровня являются технологические операции. Эта часть является подсистемой сложной системы - технологии и средства механизации возделывания и уборки картофеля.

Третий уровень включает в себя производственные процессы. Их разнообразие (многомерность) влияет на эффективность системы не всегда адекватно. Четвертый уровень представляет собой сложную надсистему, включающую системы нижнего уровня. А исследуемая система - комплекс МТА, обеспечивающих реализацию технологии, является частью метасистемы, которую можно рассматривать как обеспечение производства видов продукции. Разработана декомпозиция цели системы с позиций эвристического подхода.

Для условий Среднего Урала, где преобладают почвы в виде средних и тяжелых суглинков и уборка ведется при высокой влажности, требуется создать и сохранить структуру почвы, обеспечивающую комбайновую уборку. Для этого целесообразно выполнить фрезерование почвы до посадки и исключить уплотнение клубненесущего слоя ходовым аппаратом агрегатов при обработке посадок. Эффективность представленных на рисунке мероприятий должна быть оценена обоснованными критериями.

Анализ методик оценки эффективности применения технологических комплексов машин по возделыванию сельскохозяйственных культур позволил обосновать критерии оценки в соответствии с задачами, поставленным для реализации цели (тематики) исследований.

Применительно к конкретным условиям (первый и второй уровни системы) целесообразно использовать такие критерии, как урожайность картофеля, затраты труда и средств на производство продукции и единицу площади, производительность агрегатов, потери продукции, показатели качества работы и др.

Многие исследователи в качестве критерия эффективности используют размер прибыли от разрабатываемых мероприятий. При дефиците трудовых ресурсов на первое место ставят затраты труда.

Критерий прибыли имеет вид

(1)

где С_п - стоимость произведенной работы или продукции (выручка от реализации), руб.; К_з - комплексные затраты на технологический процесс.

Стоимость произведенной продукции связана с политикой ценообразования, с предложениями и спросом на продукцию и не является предметом исследований технических наук.

Предметом исследований является составляющая комплексных затрат на обеспечение технологического процесса. В связи с тем, что эти затраты включают в себя ряд разнородных составляющих, меняющихся при воздействии многих факторов, для оптимизации некоторых действий в научном плане при использовании динамических процессов применяют уравнение вида

= f(х,t,u), (2)

где выбор функций u(x,t) выполняет субъект. Вектор u(t,x) - управление, которое выбирается из условия некоторой цели. Использование данной модели применимо для перевода объекта (затрат) из одного состояния в другое, т. е. из состояния

x(0) = x₀, (3)

в состояние

x(T) = x_T. (4)

При этом затраты должны быть минимизированы, т. е.

.

В связи с тем, что динамический процесс анализа включает затраты труда и средств, между ними может наблюдаться конфликтная ситуация с соответствующими управлениями. Тогда вектор производимой продукции (работы)



= f(х,u). (5)

Управления рекомендуют выбирать из условий вида

;

Каждое из них отражает важность и первоочередность реализации составляющих системы. Поскольку предпочтение того или иного управления не может быть формализовано на данный момент, необходимо решение вопроса отнести на результаты экспертизы. Проблема должна быть разбита на отдельные простые составляющие. В исследовании для декомпозиции принят метод дерева целей.

Согласно методике, если событие S является заключительным, то требуется перечислить собы-тия S₁, S₂,…,S_k, от выполнения которых зависит состояние события S. Событие S₁ мо-жет выражать эксплуатационные затраты, S₂ - затраты на материалы и т. д.

Тогда событие S^f определится как S^f = f(S₁ S₂, ... , S_k), где f - функция от переменных S_i. В простейшем случае событие S^f состоит в изменении событий S₁, S₂ …S_k. Применительно к возделыванию картофеля функция f имеет более сложную структуру. Основная задача экспертизы состоит в том, чтобы определить условное значение со-бытия S в результате состояния события S^f. В результате экспертизы состава отдельных технологических операций получаем функцию С_(i):

(6)



При достаточно сложном событии С_(i) необходимо перейти к следующему шагу. Для события С_i следует указать события (С_jj), от наступления которых зависит значение события C_i, затем вве-сти событие S^f при событиях S_jj. При невозможности оценить очередное событие (ступень) следует продолжать процесс расчленения. В результате получаем некоторое дерево событий (рисунок 1).

В качестве экспертных оценок использованы математические мо-дели. При этом разделении сложной задачи на цепочку более простых использован эври-стической подход. Комплексные (эксплуатационные) затраты на производство механизированных работ (уровень А_i) определяются по формуле

где С_ikt - затраты на i-й агрегат при выполнении k-й работы в период t; N_ikt - количество i-х МТА на k-й работе в t-й расчетный период; а_j - коэффициент отчисления на реновацию j-й машины; Б_j - балансовая стоимость машины, руб; N_j - количество j-х машин, необходимых для выполнения объема работ; N_м - количество машин в агрегате; С_м - затраты на оплату труда; A_кпн - ставка корпоративного подоходного налога, A_кпн = 0,1; Т_j - срок службы машины; Н - налоги на землю, имущество и др.

Затраты, связанные с использованием i-го МТА за период t на k-й работе (уровень Бi)

С_ikt = (?C_jN_м + C_з + C_тсм + С_пр)W_ikrД, руб./ч (8)

где С_{j -} затраты на ТО и ремонты по i-й машине, k-му агрегату и на r-й работе, руб./га; N_м - количество машин в агрегате; С_з - затраты на оплату труда, руб/га; С_тсм - затраты на топливо и смазочные материалы, руб./га; С_пр - прочие затраты на основные и вспомогательные материалы (семена, удобрения, ядохимикаты и др.), руб/га; W_ikr - производительность i-го МТА на r-й работе, га/ч; Д - затраты времени на выполнение работ, ч.

Рисунок 1 - Дерево событий производства картофеля: А - уровень затрат по категориям; Б - суммарные эксплуатационные затраты по агрегатам; В - эксплуатационные затраты по отдельным техническим средствам

Затраты на оплату труда

, руб./га (9)



где К₁, К₂ - коэффициенты начисления на зарплату; К_нк - коэффициент, учитывающий надбавки; M_трк,M_вк - количество механизаторов и вспомогательных рабочих на к-м агрегате; f_т,f_в - сменные ставки тракториста и вспомогательных рабочих; W_с - сменная производительность МТА, га/см.; n - количество МТА.

Затраты на топливо и смазочные материалы (уровень В_i)

С_тсм = ?q_кЦ_к, руб./га, (10)

где q_к - расход топлива, кг/га; Ц_к - комплексная цена топлива, руб./кг.

Затраты на вспомогательные материалы в расчете на 1 га

С_всп = ?q_м*Ц_м, (11)

где q_м - расход вспомогательных материалов на гектар; Ц_м - цена материала.

Эксплуатационные затраты техники (без ТСМ)

С_?э = С_а + С_{то,тр,хр} + С_зп + С_всп, (12)

где С_а - амортизационные отчисления на реновацию и капитальный ремонт; С_то,р,хр - затраты на техническое обслуживание, ремонты и хранение; С_зп - затраты на оплату труда обслуживающего персонала (механизатор и вспомогательный рабочий); С_всп - затраты на вспомогательные материалы.

Для детального анализа затраты на ТСМ выделены из состава общих эксплуатационных затрат.

Для оценки значимости управляемых факторов системы с целью выбора направлений совершенствования технических средств использован способ декомпозиции «Метод решающих матриц». Научные цели б носят технико-экономический харак-тер - снижение затрат труда и средств за счет повышения степени механизации технологических процессов.

Экспертизой установлен перечень в (вектор с компонентами вⁱ) разработок, призванных обеспечить достижение целей. Связав эти разработки с перечнем б и весами работ этого перечня, устанавливаем приоритетность разработок. Поскольку разработки служат нескольким научным целям ставится задача построе-ния матрицы A^в = (a^в_ij) значимости опытно-конструкторских работ. Элемент a^в_ij -- положительное число, показывающее относительное значение разработки номера i для целей номера j. Эти величины также определенным образом нормируются. Например, можно принять В качестве веса i-й конструкторской разработки естественно принять Таким образом, получаем фор-мулу

в = А^вб, (13)

которая отображает ряд научно-технических целей на ряд технологических и конструкторских разработок. В нашем случае совершенствование техники положительно скажется на ее производительности, снижении энергозатрат и затрат труда, снижении затрат на операцию, повышении эффективности производства.

д = А^д г. (14)

Решением проблемы выбора направлений совершенствования технических средств позволяет построить отображение ряда целей на ряд исследований второго и последующих уровней системы:



д = А^д А^гА^вб, (15)

где А^д, Аг, А^в - матрицы значимости соответствующих исследований отображения ряда разработок и их значимости.

Если веса компонент вектора б заданы, то мы можем вычис-лить и веса компонент вектора д.

В результате мы находим относительную роль отдельных исследований более высокого порядка в успешной реализации намеченной программы. Следующий этап -- детализация работ в форме некоторого графа и составление расписания.

Совершенствование технических средств по производству работ невозможно отделить от соответствующей технологии производства. Для практической реализации системного подхода к осуществлению поставленной цели разработана и испытана компьютерная технология проектирования состава технологического комплекса по возделыванию сельскохозяйственных культур и анализа значимости входящих в систему управляемых факторов (элементов), объединенных морфологической схемой.

В планировании мероприятий использована теория расписаний с учетом ряда условий. Один из путей к решению задач теории расписаний состоит в ранжировании работ. На основании расчетных данных составлен граф со значениями весов работ и проведено их ранжирование (рисунок 2).

Оценка значимости управляемых факторов выполнена по следующим показателям.

1. Эксплуатационные затраты техники (без ТСМ)

С_?э = С_а + С_{то,тр,хр} + С_зп + С_всп, (16)

где С_а - амортизационные отчисления на реновацию и капитальный ремонт; С_{то,тр,хр} - затраты на техническое обслуживание, ремонты и хранение; С_зп - затраты на оплату труда обслуживающего персонала (механизатор и вспомогательный рабочий); С_всп - затраты на вспомогательные материалы.

Рисунок 2 - Результаты ранжирования операций по затратам средств

2. Затраты труда на гектар площади возделывания культуры по операциям определяются по отношению количества обслуживающего агрегат персонала к часовой производительности агрегата.

Из диаграммы видно, какие операции имеют максимальные эксплуатационные затраты. Среди наиболее затратных операции: междурядная обработка, уборка копателем, разбрасывание удобрений, посадка картофеля, вывозка навоза, погрузка картофеля. Степень механизации работ с учетом производительности средств механизации оценивается затратами труда механизаторов на единицу площади возделывания культуры и привлечением вспомогательных рабочих. Ранжирование по затратам труда проведено аналогично затратам средств. Результаты ранжирования по двум критериям приведены в таблице 1.



Таблица 1 - Результаты ранжирования по двум критериям

Номер ранга	Приоритетность технологической операции
	По затратам средств	По затратам труда	По двум критериям
1	Междурядная Обработка	Уборка копателем	Уборка копателем
2	Уборка копателем	Транспортировка урожая	Междурядная обработка
3	Разбрасывание органических удобрений
4	Посадка картофеля	Вывозка навоза	Вывозка навоза
5	Вывозка навоза	Междурядная обработка	Посадка картофеля
6	Погрузка урожая картофеля	Переборка и сортировка	Транспортировка урожая
7	Переборка и сортировка	Посадка картофеля	Переборка и сортировка
8	Уборка ботвы	Погрузка урожая картофеля	Уборка ботвы
9	Вспашка зяби	Закладка на хранение	Вспашка зяби

Полученные результаты указывают на то, что в первую очередь следует совершенствовать технологию возделывания картофеля в направлении сокращения ручных работ, связанных с подбором и погрузкой вороха картофеля при уборке копателем, и по возможности обеспечить комбайновую уборку.

Далее по затратам труда и средств модернизации подлежат междурядная обработка, посадка, транспортировка урожая картофеля и погрузка его в транспорт.

Модернизацию комплекса машин на основании анализа технологии и ранжирования технологических операций следует вести по направлениям:

- создание методики проектирования профиля клубненесущего слоя с учетом разнообразия условий производства, в первую очередь почвенных разностей, их состояния в период вегетации и уборки урожая;

- разработка технологических мероприятий и технических средств по формированию клубненесущего слоя, обеспечивающих благоприятные условия для формирования клубней, предупреждающих уплотнение КНС при уходе за посадками, обеспечивающих механизированную уборку урожая;

- разработка мероприятий и технических средств для механизации погрузочных работ при перевозке урожая;

- разработка мероприятий по совершенствованию организации перемещения урожая картофеля и средств его транспортирования к местам хранения.

В третьей главе «Обоснование параметров профиля КНС и средств механизации по его формированию с учетом условий производства» изложена методика проектирования КНС, приведены материалы по обоснованию профиля и его параметров для конкретных условий производства, методика сравнительной оценки гребневого и грядового профиля.

Площадь сечения гребня определяется по формуле

(17)

где b - основание треугольника (зависит от ширины междурядья); h - высота гребня (максимальное значение которой ограничивается шириной междурядья и углом естественного откоса почвы б¹).

Объем почвы в гребне, приходящейся на маточный клубень (гнездо):

(18)

где l - шаг посадки.

При шаге посадки 25 см, ширине междурядий 70 см и угле естественного откоса 45° объем почвы на одно гнездо V = 0,0306 мі; высота гребня h = 0,35 м; площадь поля на одно гнездо S_к = 0,175 мІ.

На песчаных почвах в сухую погоду при шаге посадки l = 25 см, b = 70 см, б¹ = 37°, высота гряды h = 0,26 м.

Для исключения уплотнения почвы ходовым аппаратом трактора при уходе за посадками требуется технологическая колея.

Для профиля клубненесущего слоя, сформированного по схеме 60х80 см, высота гребня h уменьшится за счет уменьшения ширины основания гребня (b = 0,6 м). При этом высота гребня при угле естественного откоса б¹ = 45° составит 0,3 м. Высота уменьшилась на 0,05 м, или на 14,3%. Объем гребня, приходящийся на одно гнездо, уменьшится на 25%. Если формировать профиль по схеме, приведенной на рисунке 3, объем гребня, приходящийся на одно гнездо, уменьшится на 1%. Высота гребня останется практически такой же.

Сдвигая соседние рядки попарно, можно получить профиль гряды, параметры которой приведены на рисунке 4.

Рисунок 3 - Профиль клубненесущего слоя с технологической колеей и перекрытием ширины гребня (размеры в см)

Рисунок 4 - Образование параметров гряды: УЕО (б¹) - угол естественного откоса; h' - глубина посадки клубней; а1, а2 - расстояние от центра клубня до поверхности откоса гряды по горизонтали и по перпендикуляру к поверхности соответственно



При проектировании ширина колеи принята 1400 мм. При сдвигании гребней площади треугольников «А» и «С» становятся равными. В этом случае профиль гряды принимает форму равнобедренной трапеции с параметрами: В - основание; b' - вершина; h - высота трапеции. Ширина гряды по основанию в зависимости от заданной высоты гряды и угла естественного откоса

В = 3h/tgб¹; b' = h/tgб¹. (19)

Выполнив вычисления (при посадке с междурядьями 70 см), получаем значения параметров:

- при б¹ = 45°, h = 0,35 м, h' = 10 см В = 105 см, b' = 35 см;

- при б¹ = 37°, h = 0,2625 м, h' = 10 см В =105 см, b' = 35 см.

При б¹ = 37° высоту гребня и гряды h можно сформировать (при b = 70 см) не более 26 см.

Напрашивается вывод о целесообразности разработки технологии формирования клубненесущего слоя в виде гряды из гребней, сформированных с междурядьем 70, или 60х80 см. Следовательно, нужна операция по формированию профиля гряды. Для этого определяются параметры рабочего органа (рисунок 5). Диаметр должен быть 350 мм с учетом ширины колеса и междугрядья.

Усилие, затрачиваемое на перемещение гребня, зависит от массы перемещаемого слоя и коэффициента трения (сдвига) между слоями почвы. Масса перемещаемого слоя зависит от плотности почвы и геометрических размеров гребня, в первую очередь - от ширины междурядий и угла естественного откоса (УЕО) почвы б¹. Последний зависит от типа почвы, ее механического состава и физического состояния.



Рисунок 5 - К обоснованию диаметра рабочего органа (РО) для формирования профиля КНС после посадки в гребни: 1 - профиль гребня; б¹ - угол естественного откоса; д_1, д₂ - углы скольжения почвы по поверхности РО; d_min - минимальный диаметр РО, соответствующий половине ширины междурядья; d₂, d₃ - диаметры РО с учетом допустимого взаимодействия РО с соседним гребнем, исключающие смещение части гребня на соседнюю гряду, связанные с д₁ и д₂; d_max - максимальный диаметр РО

Для дерново-подзолистой почвы, распространенной в зоне Среднего Урала, при влажности до 20% угол естественного откоса составил 37^о. Опыты показывают, что максимальное значение угла не превышает 50^о. Рациональный диаметр РО определяется по формуле

D_PO = 2d/(1+cosд), (20)

где d_min - минимальный диаметр РО (для междурядий 70 см d_min = 350 мм); д - угол скольжения почвы по поверхности РО (связан с коэффициентом трения).

Зависимость диаметра рабочего органа D_РО от угла трения (скольжения) найдена графическим способом. В результате аппроксимации получено:

D_РО = 550 - 50д, мм (21)

Рациональные значения диаметра РО составляют: для угла 37^о D_РО = 437 мм; для угла 50^о - 396 мм; для угла 45^о - 410 мм. Диаметр 410 мм принят наиболее целесообразным (оптимальным) для зональных условий при ширине междурядий 70 см и д = 45^О.

Работоспособность РО будет обеспечена, если направление вращения окажется против часовой стрелки. Силовые факторы проецируются на оси координат OX и OY (рисунок 6).

Рисунок 6 - Действие сил на РО: 1 - профиль гребня; б - угол естественного откоса; д - угол скольжения почвы по поверхности РО; d_opt - диаметр РО с учетом допустимого взаимодействия РО с соседним гребнем, исключающий смещение части гребня на соседнюю гряду; d_min - минимальный диаметр РО, соответствующий половине ширины междурядья; ц - центральный угол

Установлена зависимость линейной плотности силы, создаваемой гребнями по направлению поступательного движения РО для двух участков: на участке 0 Х d_min; на участке d_min < Х d_opt.

Значение плотности силы (напряжения) минимальной по модулю [I_FM(ц)] между участками выбирается в зависимости от точки приложения на поверхности РО (знак силы положительный, если она вращает РО против часовой стрелки) следующим образом:

- если , расчет I_FM(ц) ведется по формуле

I_Fф(ц) = -I_F[X()]cosц; (22)

- если , то по формуле

(23)

Приведенные соотношения объясняют необходимое условие для обеспечения вращения РО в нужном направлении и перемещения слоя почвы (гребня) в поперечном направлении от направления поступательного движения агрегата (рисунок 7).



Рисунок 7 - График плотности тангенциальной силы, действующей на РО: 1 - график плотности действующей тангенциальной силы; 2 - максимально возможное значение плотности силы, касательной к поверхности РО (силы трения), определяемое нормальной плотностью; 3 - проекция линейной плотности силы, создаваемой гребнями по линии поступательного движения РО

Суммарный момент вращения, действующий на РО в сторону гребня (гряды) больше, чем момент, действующий в противоположную сторону. График включает три интервала. В интервалах 0…45^о и 135…180^о относительно велика тангенциальная составляющая, но мала нормальная, поэтому действующая линейная тангенциальная плотность силы является максимально возможной для нормальной составляющей.

В промежутке 45…135^о нормальная сила относительно велика, а тангенциальная мала, поэтому действующая тангенциальная плотность равна плотности создаваемой гребнями.

Крутящий момент от сил трения определяется интегрированием по половине окружности линейной плотности силы (первый множитель), умноженной на плечо (второй множитель, равный радиусу) по дифференциалу дуги окружности (третий множитель):



(24)

М = 60,295 Нм

Суммарный момент вращения, действующий на РО в сторону гребня (гряды), больше, чем суммарный момент, действующий в противоположную сторону. Вращение будет происходить по направлению момента. Проекция действующих сил на ось абсцисс Х определяется по двум составляющим: нормальной и тангенциальной. Под интегралами стоят проекции линейной плотности силы на ось абсцисс и дифференциал дуги окружности:

(25)

F_x = 63,787 Н.

Проекция действующих сил на ось Y ординат определяется аналогично:

(26)

F_Y = -747,131 Н.

Модуль сил и угол наклона вектора к оси Х результирующей силы

(27)

(28)



Знак угла указывает на расположение его в четвертой четверти (отсчет от оси абсцисс против часовой стрелки).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Положительное значение результирующей силы на РО свидетельствует о его работоспособности. Испытания подтвердили этот вывод.

2. Рабочий орган по формированию гряды из гребней с междурядьем 0,7 м для указанных условий целесообразно выполнять диаметром 0,41 м.

3. Величина результирующей силы и ее направление действия необходимы для расчета на прочность и конструктивное оформление РО.

Проведено обоснование совмещения операций обработки посадок и формирования гряды из гребней при возделывании картофеля по агротехническим (качественным) показателям, затратам труда и энергии, прямым и приведенным затратам средств.

Для количественной оценки степени уплотнения почвы можно использовать отношение объема смятой почвы к обрабатываемой площади:

С = 2вм/В_р. (29)

где в - ширина обода колеса, м; м - удельное давление на почву, Н/м²; В_р - рабочая ширина захвата МТА, м.

Среднюю приведенную производительность однородных МТА (W_i), составленных с одним трактором, можно определить исходя из сравнения затрат времени на обработку единицы площади:

га/ч (30)



где N - количество заменяемых однородных МТА.

Обоснована целесообразность совмещения операций междурядной обработки посадок картофеля и формирования КНС.

Для изучаемых средств механизации по реализации технологий
формирования клубненесущего слоя (сравнительной оценки комбинированной машины с однородными) рассчитаны производительность (рисунок 9), энергоемкость, трудоемкость, коэффициент уплотнения почвы и затраты средств.

Рисунок 8 - Производительность агрегатов: КОР - фрезерование; ГО - образование гряд; КФМ - фрезерование с образованием гряд

Экономические показатели сравниваемых агрегатов согласно данным таблицы и графика (рисунок 9) свидетельствуют о целесообразности применения агрегата, совмещающего обработку посадок и формирование гряды. По всем статьям расходов преимущество остается за совместным выполнением обработки почвы и формирования гряды. Из графика видно, что производительность комбинированного агрегата выше средней производительности однородных агрегатов. Следовательно, с этой позиции совмещение операций обработки почвы и формирования гряды выгодно.



Рисунок 9 - Эксплуатационные затраты по агрегатам

Теоретически обоснованы параметры пассивного рабочего органа (ПРО) для формирования профиля КНС.

Рабочий орган представляет собой клин, сдвигающий гребни при поступательном движении МТА. Схема РО и воздействие сил представлены на рисунке 10.

Рисунок 10 - Силы, действующие на частицу почвы, при движении ее по боковине формирователя: V_п - скорость поступательного движения РО; V - абсолютная скорость перемещения частицы; V_i - абсолютная скорость перемещения частицы почвы с учетом угла трения между боковиной и почвой; - угол трения; М - частица почвы, движущаяся по боковой по-верхности формирователя; Р - сила, действующая на частицу, направлен-ная по движению РО; N - нормальная сила на плоскость бо-ковины формирователя; F - сила трения; Q - проекция силы Р на плоскость боковины

Условие скольжения частицы почвы по боковине формирователя свя-зано с углом раствора боковин формирователя «а» и обеспе-чивается при соотношении сил трения F и перемещения частицы по плоско-сти Q (QF). Проекция силы Q через силу Р и угол раствора б выразится из со-отношения Q = Pcos(б/2), нормальная сила N = Psin(б/2), сила трения - через угол трения почвы о боковину формирователя: F = Ntg. Из приведенных соотношений можно записать условие

cos(б/2)sin(б/2)tg [ctg(б/2)tg].

При этом tg(90-б/2)tg [(90-б)/2].

Длина боковин связана с исходными (ширина и высота гребня) и за-данными параметрами профиля КНС (ширина гряды и междугрядий), уг-лом раствора формирователя.

Отсюда угол раствора боковин формирователя связан с углом трения почвы о боковину, т.е. б/2(90-). Угол трения зависит от ти-па почвы, ее состояния и механического состава, материала РО.

Скорость частицы почвы (без учета трения) направлена перпендикулярно плоскости боковины; ее можно определить через угол раствора формирователя б и скорость РО: V = V_пsin(б/2). Скорость перемещения частицы почвы по поверхности боковины (относительная) определяется через поступательную скорость РО и угол раствора: V_о = V_пcos(б/2). За счет трения между частицей почвы и боковиной формирователя фактическая скорость частицы определится через угол трения ц:



V₁ = V_пsin(б/2)/cos. (31)

Зависимость скорости V₁ от угла раствора боковин формирователя представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Зависимость скорости движения частицы почвы от угла раствора боковин формирователя с учетом внешнего трения

Угол сдвига почвы рабочим органом должен быть меньше угла трения почвы о поверхность РО. При расчетах фактической скорости принят средний угол сдвига 42^о (по литературным источникам угол изменяется от 35 до 50^о).

Параметры гряды при заданных значениях: ширина междурядий стандартная - 70 см; ширина между строчками в гряде 30-40 см; угол естественного откоса 37-45^о; ширина междугрядья 30 см; ширина гряды по верхнему обрезу 60 см. Высота гряды при УЕО 45^о составляет 25 см; при угле 37^о - 18,84 см. Величина сдвига гребня для того и другого варианта: L_сдв = 27,5 см; раствор РО составляет 55 см.

Площадь сечения гребня S должна составлять 0,10625 м² при УЕО 45^о и 0,08075 м² при УЕО 37^о.

Исходная высота гребней: при УЕО 45^о h₁ = 0,30 м; при УЕО 37^о h₂ = 0,23 м.

Для увеличения высоты гряд при указанных выше условиях необходимо уменьшать ширину гряды по верху.

Установлены зависимости параметров профиля КНС от угла естественного откоса почвы, ширины междугрядья и гряды.

У формирователя профиля КНС основными размерами являются длина и высота боковин. Высота боковин устанавливается исходя из необходимой высоты профиля КНС, а длина зависит от ширины РО и угла раствора.

Оптимизированы параметры комбинированного агрегата по максимальной производительности. Для скорости движения установлена зависимость

км/ч (32)

где L - длина гона, км; t_п - время поворота, ч; а, в - коэффициенты, соответствующие параметрам зависимости ширины захвата от скорости, получаемые ее аппроксимацией.

После определения скорости движения рассчитывается рабочая ширина захвата МТА:

Вр = 4,549793 - 0,692111V_р, м (33)

где Vр - рабочая скорость, м/с.

Зависимость ширины захвата по передачам трактора МТЗ-80 от скорости движения при полном использовании мощности приведена на рисунке 12.

Рекомендуемые параметры агрегата приведены в таблице 2.



Рисунок 12 - Ширина захвата агрегата в функции скорости (при N_крmax)

Таблица 2 - Рекомендуемая ширина захвата МТА с трактором МТЗ-80

Удельное сопротивление, кН/м	а	Ширина захвата агрегата, м	Кол-во обрабатываемых рядков	Скорость движения, км/ч	Передача трактора
3,42 3,57 3,75 3,81	4,51 4,63 4,69 4,77	3,52 3,35 3,08 3,05	5 4 4 4	5,16 6,7 8,4 9,0	3 4 5 6

В четвертой главе «Экспериментальная оценка усовершенствованных технических средств и комплексов машин по формированию клубненесущего слоя почвы (КНС)» приведены материалы, подтверждающие теоретические предпосылки.

Исследования доказывают целесообразность формирования гряды после посадки картофеля одновременно с рыхлением междурядий путем сближения гребней. Для этого созданы рабочие органы в виде ротора, обоснованы их параметры.

Доказано преимущество совмещения операций по ряду критериев. Установлены зависимости критериев оценки от параметров МТА и режимов работ, разработаны рекомендации по составу МТА.

Приведены результаты формирования КНС и анализ системы показателей оценки качества механизированных работ, в том числе по вариантам «полосное фрезерование ПФ» и «сепарация почвы С».

Сравнительная оценка вариантов формирования КНС и сепарируемости вороха при уборке представлена в таблице 3.

Результаты обработки опытных данных показали, что наилучшую сепарируемость вороха обеспечивает возделывание картофеля по грядово-ленточной технологии с сепарацией почвы перед посадкой. Засоренность вороха при этом в три раза ниже, чем при гребневой технологии. Такая технология позволяет применять комбайновую уборку. Особенно это целесообразно на почвах, засоренных камнями.

Таблица 3 - Результаты сепарируемости клубненесущего слоя при различных технологиях возделывания картофеля

Технология	Фракционный состав вороха
	Масса вороха, кг	Клубни	Почва
		кг	%	кг	%	Вынос с 1 га, т
Гребневая Грядово-ленточная -ПФ Грядово-ленточная - С	466,1 450,1 360,6	369,3 372,8 331,0	79,2 82,8 91,8	96,8 77,3 29,6	20,8 17,2 8,2	4,41 3,57 1,55

Энергетические испытания агрегатов, реализующих технологические процессы, показали, что при возделывании картофеля по гребневой технологии расход топлива составил 57,05 кг/га; по грядовой технологии со сплошным фрезерованием - 62,56; по грядовой технологии с полосным фрезерованием - 59,11; при возделывании картофеля по грядовой технологии с сепарацией почвы - 74,77 кг/га.

Наибольшие затраты оказались на варианте при возделывании на грядах с сепарацией почвы перед посадкой. Вместе с тем сепарируемость вороха (отделение клубней от почвы) при уборке урожая здесь была лучшей из всех вариантов.

Уборка урожая проводилась комбайном ККУ-2А с трактором МТЗ-80 (первая передача). Производительность агрегата за час чистой работы составила 0,14 га (с учетом времени поворотов и разгрузки - 0,12 га/ч). Состояние вороха свидетельствует о том, что комбайн обеспечивает удовлетворительную сепарацию при уборке картофеля, возделываемого по грядово-ленточной технологии с полосным фрезерованием. Засоренность вороха при этом в три раза ниже, чем при гребневой технологии возделывания. В зависимости от почвенно-климатических условий и применяемого способа формирования КНС урожайность картофеля, возделываемого на грядах, по отдельным вариантам на 10 - 25% выше, чем на гребнях.

Для формирования гряды из гребней после посадки картофеля потребовалось сконструировать и изготовить экспериментальную установку на базе МТЗ-80 и культиватора КФМ-2,8.

Результаты исследования показывают, что разработанные рабочие органы удовлетворительно обеспечивают технологический процесс формирования КНС в виде гряды из гребней (рисунок 13).

Рисунок 15 - Результаты формирования гряд из гребней роторным РО

Перемещение клубней вдоль рядка при использовании роторного рабочего органа (РРО) составило 8,75 см при глубине заделки 10 см и 5,7 см - при глубине заделки 13 см, что меньше перемещения пассивным рабочим органом (ПРО). Роторный рабочий орган работает экономнее, чем пассивный.

Исследования позволяют сделать вывод о целесообразности применения технологии формирования гряд после посадки в гребни. Это дает возможность отказаться от специальных сажалок для возделывания картофеля на грядах, проводить интенсивное рыхление клубненесущего слоя после посадки, успешно бороться с сорной растительностью, обеспечить комбайновую уборку урожая.

В главе 5 «Обоснование комплекса машин по перемещению урожая картофеля» приведены методика и результаты хронометражных наблюдений за перевозкой урожая картофеля. Разработаны мероприятия по совершенствованию транспортного процесса по перемещению урожая к местам хранения.

Проведена оценка комплекса машин на перевозке картофеля в составе автомобиля-тягача с полуприцепом, трактора с лафетом для буксирования полуприцепа по полю и фронтального погрузчика.

Испытания проводились в типичных зональных условиях.

А. Схема "поле - овощехранилище предприятия"

Часовая производительность на перевозках автомобиля ГАЗ-53 (бортовой) без учета простоев составила 3,79 т/ч, с учетом всех простоев - 3,03; автомобиля ЗИЛ-ММЗ-555 - 3,90 и 2,94 т/ч.

Б. Схема "поле - база г. Екатеринбурга"

Часовая производительность автомобиля ГАЗ-52 без учета простоев составила 0,61 т/ч, с учетом всех простоев - 0,37 т/ч; автомобиля ЗИЛ-130 соответственно 0,92 и 0,60 т/ч. Время движения по отношению ко всему времени в наряде (движение с грузом и без груза) составило: для ГАЗ-52 - 23,1%; для ЗИЛ-130 - 19,7%.

Данные показывают, что автомашины на перевозке работают крайне непроизводительно. До 80% времени они стоят без движения, поэтому потребность в автотранспорте весьма велика.

Одним из главных направлений в механизации погрузки является контейнеризация. Проведены наблюдения за погрузкой картофеля, затаренного в стандартные контейнеры с откидывающимся днищем. В качестве погрузчика использовался агрегат в составе трактора МТЗ-80 и КУН-10, оборудованного стрелой и строповочным устройством. Производительность его (сменная) составила 63,7 т/смену.

Разработана конструкция мягкого оборотного контейнера (МОК). Такой контейнер представляет собой емкость, сшитую из синтетической ткани и оборудованную двумя строповочными узлами.