Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Машинные технологии и комплексы технических средств для производства табака

Специальность:

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Виневский Евгений Иванович

Краснодар - 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий Россельхозакадемии

Научный консультант - доктор технических наук, профессор МАСЛОВ Геннадий Георгиевич

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук, профессор ЦЫМБАЛ Александр Андреевич

доктор технических наук, профессор АБЛИКОВ Виктор Александрович

доктор технических наук, профессор ТАТАРЧЕНКО Ирина Игоревна

Ведущая организация - ГНУ "Всероссийский научно-исследовательский и проектно - технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства" (ВНИПТИМЭСХ), г. Зерноград

Защита состоится 15 апреля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (КубГАУ) по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, корпус факультета электрификации сельского хозяйства, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат размещен на сайте ВАК referat http://vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «___» __________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.т.н., профессор С.В. Оськин

Общая характеристика работы Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору. И.И. Дьячкину за консультации по технологии табака

Актуальность проблемы. Производство табака и табачных изделий является одной из ведущих отраслей агропромышленного комплекса страны. В целях повышения эффективности работы табачной отрасли необходимо увеличить рентабельность производства табака. Успешное решение указанной проблемы во многом зависит от степени эффективности технологий и комплексов технических средств для производства табака, который относится к наиболее трудоемким сельскохозяйственным культурам.

В настоящее время уровень механизации процессов производства табака остается все еще низким и составляет всего 20-25%. За последние пятнадцать лет в табаководстве России появились хозяйства с различными площадями землепользования, что потребовало разработки новой системы машин с различной производительностью.

Механизация технологических операций, выполняемых в табаководстве вручную, и совершенствование машинных технологий и комплексов технических средств позволит снизить трудовые и энергетические затраты при производстве табака, и тем самым снизить его себестоимость.

Работа выполнена в соответствии с заданиями ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии (номера государственной регистрации: 01860131419, 61.9.20 002017, 01.20.0 404896, 01.20.0 404888, 01.20.0 404890, 0120.0 404894), а также по договорам и государственным контрактам: договоры № 1050 и № 1051 от 19.07.1991г. с ГНТУ при Госкомиссии СМ СССР по продовольствию и закупкам; договоры (заказ-наряды) с Департаментом сельского хозяйства и продовольствия администрации Краснодарского края № 10-7/94 и № 10-17/95; государственные контракты с Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края № 5.22/13-01, № 4.9/14-02, № 5.7/4-03, № 5.9/12-04, №5.9/12-05г., № 4.1.8/67 - 2006, №4.1.8/32 - 2007.

Цель исследований - повышение эффективности производства табака путем совершенствования машинных технологий и разработки комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования.

Объекты исследования - машинные технологии, комплексы машин, рабочие органы для возделывания, уборки и послеуборочной обработки табака; свежеубранные и неферментированные листья табака различных сортотипов и ярусов ломок.

Предмет исследования - закономерности и взаимосвязи параметров технологических процессов выращивания рассады, высадки ее в поле, ухода за плантациями, уборки и послеуборочной обработки листьев, закономерности качественного и эффективного функционирования комплексов, зависимости параметров и режимов работы машин от условий их эксплуатации.

Научная новизна работы:

- методические положения к обоснованию технико-эксплуатационных параметров комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования;

- основные положения многоуровневого системного подхода к оптимизации параметров машинных технологий и режимов работы технических средств для уборки табака;

- взаимосвязь технологических приемов и способов послеуборочной обработки табака машинной уборки с интенсификацией процесса его сушки и расходом при производстве курительных изделий;

- закономерности функционирования комплексов технических средств в хозяйствах с различными площадями землепользования;

- оптимальные параметры машинных технологий и комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования.

Новизна технических решений и полезность разработок подтверждена 27 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения и полезные модели. курительный табак уборка сушка механизация

Практическая значимость работы: комплексы технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования; блок пленочных теплиц для выращивания рассады табака Абинского опытного поля ГНУ ВНИИТТИ; реконструированные пленочные обогреваемые гряды опытно-селекционного участка ГНУ ВНИИТТИ; ОСТ 10.8.16 - 87 «Испытания сельскохозяйственной техники.

Машины для уборки табака и махорки»; ОСТ 10.8.16-2002 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки табака и махорки»; ОСТ 10 10.10-2002 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для послеуборочной обработки табака и махорки».

Реализация результатов исследований. Материалы научно-исследовательских работ переданы в ГСКБ ПО «Молдсельмаш» (г. Бельцы, республика Молдова), в институт «Южгипроагропром» (г. Баку, республика Азербайджан) и в ГСКБ ПО «Рисмаш» (г. Краснодар).

Результаты исследований использованы при разработке: рекомендаций по производству табака и эксплуатации рассадопосадочных и табакопришивных машин; ОСТ 10.8.16 - 87; ОСТ 10.8.16-2002; ОСТ 10 10.10-2002; блока пленочных теплиц для выращивания рассады табака Абинского опытного поля ГНУ ВНИИТТИ и реконструкции пленочных обогреваемых гряд опытно-селекционного участка ГНУ ВНИИТТИ.

Апробация научных положений диссертации. Результаты научных исследований регулярно докладывались на отчетно-плановых сессиях ВНИИ табака и махорки им. А. И. Микояна (ВИТИМ) в 1987…1990гг., на международных, Всероссийских и научно-практических конференциях РАСХН (г. Москва, г. Углич), ГНУ ВНИИТТИ, КубГАУ (г. Краснодар), ГУ ВНИТИММС и ППЖ (г. Волгоград), ГУ КНИИХП в 1997…2006 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано: в научных трудах Всероссийского НИИ табака, махорки и табачных изделий (бывшего Всесоюзного НИИ табака и махорки им. А.И. Микояна), в журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Техника в сельском хозяйстве», «Тракторы и сельскохозяйственные машины», «Хранение и переработка сельхозсырья», «Известия ВУЗов.

Пищевая технология», «Достижения науки и техники АПК», «Технические культуры», «Техника и оборудование для села», в рекомендациях, подготовленных совместно с Департаментами сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Администраций Краснодарского края и Астраханской области.

По теме диссертации опубликовано всего 93 научные работы, включая 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 27 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения и полезные модели.

Общий объем опубликованных работ составил 45,5 п.л., в т. ч. 14,4 п.л. с учетом долевого участия автора в коллективных публикациях.

Объем работы и структура. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 327 наименований, приложений; изложена на 408 страницах машинописного текста, содержит 149 рисунков, 68 таблиц и приложения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методические положения к обоснованию технико-эксплуатационных параметров комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования и основные положения многоуровневого системного подхода к оптимизации параметров машинных технологий и режимов работы средств механизации для уборки табака;

- новые технологические приемы и способы снижения потерь и интенсификации процесса послеуборочной обработки табака машинной уборки;

- усовершенствованная система технологий производства табака и новая система комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования;

- методики инженерных расчетов и оптимальные параметры технических средств для производства табака.

Огромную благодарность и признательность автор выражает научным консультантам д.т.н., проф. И.П. Леонову, д.т.н., проф. Г.Г. Маслову, а также д.т.н., проф. И.И. Дьячкину, д.э.н., проф. А. П. Исаеву, д.т.н., проф. В. П. Бородянскому и заведующему лабораторией механизации и послеуборочной обработки табака ГНУ ВНИИТТИ А.И. Петрию за ценные замечания и предложения при выполнении работы.

В экспериментальной части диссертации использован материал, полученный автором совместно с кандидатом технических наук Г.В. Поповым, инженерами К.Г. Громовым, А.В. Огняник, С.К. Папуша, Е.В. Шидловским и Н.Н. Виневской. Искренне признателен сотрудникам ГНУ ВНИИТТИ И.Б. Пояркову и Г.И. Чаленко, принимавшим участие в разработке экспериментальных установок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность проблемы, сформулирована цель работы и изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние механизации технологических процессов в табаководстве» представлен анализ существующих технологий и средств механизации для возделывания, уборки и подготовки табака к сушке.

Созданию научных основ разработки систем машин для комплексной механизации растениеводства посвящены работы академиков Рунчева М.С., Краснощекова Н.В., Липковича Э.И., профессоров Цымбала А.А., Маслова Г.Г. В области разработки сквозных агротехнологических систем в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса известны работы академика Панфилова В.А., посвященные созданию высокоорганизованных, целостных систем.

Ранее были разработаны научные основы механизации отдельных технологических операций производства табака. Известны работы профессоров Григоряна Ш.М. и Леонова И.П., посвященные созданию научных основ механизации технологических процессов посадки рассады, междурядной обработки растений табака, уборки и послеуборочной обработки табака.

Профессором Дьячкиным И.И. изучено влияние механических повреждений свежеубранных листьев табака на качество получаемого табака и на основе полученных данных установлены нормы по этому показателю в стандартах на табачное сырье.

Кроме того, элементы научных основ создания рабочих органов для табаководства разработаны кандидатами наук Демченко В.И., Голубевым A.M., Михайловым А.П., Кузнецовым Г.Я., Ложаевым С.М., Ревазяном Т.М., Мамедовым Гусейн Саяд Оглы, Каценко В.И. и другими.

Анализ современного состояния технологических процессов в табаководстве позволил установить следующее:

1. В настоящее время производство табака является одним из самых трудоемких в сельском хозяйстве. Затраты труда на его возделывание, уборку и послеуборочную обработку велики и составляют в среднем 1400 - 2000 чел.- ч./га.

2. В 60 - 80 -х годах ХХ века были разработаны системы машин для механизации технологических процессов производства табака в хозяйствах с площадью посадок от 100га и выше. Однако за прошедшие годы в табаководстве появились хозяйства с различными площадями землепользования: крупные хозяйства с площадью посадок от 50 до 100 га и от 25 до 50 га, небольшие (площадью от одного до 25 га) крестьянские (фермерские) хозяйства и личные (подсобные) хозяйства площадью до одного га.

3. Для механизации основных технологических операций выращивания рассады для хозяйств с площадью посадок свыше 100га разработаны механизированные парники. Однако существующая технология выращивания рассады имеет ряд недостатков: зависимость сроков проведения работ от погодных условий; загрязнение окружающей среды за счет загазованности воздуха от применения тракторов, что ухудшает условия труда и снижает качество рассады.

4. Существующие машины для посадки рассады табака производят полуавтоматическую высадку ее в поле, что сдерживает повышение производительности машины из-за физических возможностей рабочего, осуществляющего ручную подачу рассады в посадочный аппарат.

5. Уборка листьев табака - один из наиболее трудоемких и сложных технологических процессов в табаководстве, который выполняется вручную. Затраты труда высокие и составляют 500-550 чел.ч./га при уровне механизации всего 0,5-1,7%.

Разработана, испытана и рекомендована для применения в табаководстве табакоуборочная машина МТПГ-1. Однако в массе свежеубранных листьев табака машинной уборки встречаются стебли, соцветия, пасынки, содержится от 20 до 50 % листьев с механическими повреждениями.

Последующая подготовка к сушке таких листьев табака повышает затраты труда на 15 - 25%.

6. Для закрепления листьев табака на шнур разработаны и серийно выпускаются машины ТПМ-69МА и «Апшерон». Однако дальнейшее повышение производительности технологического процесса закрепления листьев табака на шнур ограничивается физическими возможностями рабочего, осуществляющего ручную подачу листьев к пришивному механизму.

7. Ранее проведенные исследования были направлены на разработку отдельных вопросов научных основ механизации технологических процессов производства табака.

Комплексные исследования по созданию машинных технологий и теоретико-экспериментальному обоснованию оптимальных составов, функциональных схем и технико-эксплуатационных параметров технологических комплексов и входящих в них средств механизации не проводились.

Рабочая гипотеза исследований состоит в том, что повышение эффективности механизации работ в табаководстве может быть достигнута комплексным решением следующих научно-технических задач: совершенствование структуры технологического потока производства табака, разработка машинных технологий возделывания, уборки и подготовки листьев табака к сушке, оптимизация технико-эксплуатационных параметров средств механизации с целью объединения их в комплексы для производства табака в хозяйствах с различными площадями землепользования.

Для достижения цели исследований поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствовать систему технологий производства табака.

2. Обосновать систему комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования.

3. Разработать методические положения и обосновать рациональные технико-эксплуатационные параметры комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования.

4. Разработать основные положения многоуровневого системного подхода к оптимизации параметров машинных технологий и режимов работы средств механизации для уборки табака.

5. Усовершенствовать технологические приемы и способы интенсификации процесса сушки табака машинной уборки.

6. Обосновать технологический прием снижения потерь табака машинной уборки при его послеуборочной обработке.

7. Разработать методики инженерных расчетов и оптимизировать основные параметры технических средств возделывания, уборки и послеуборочной обработки табака.

8. Определить эффективность предлагаемых комплексов средств механизации для производства табака в хозяйствах с различными площадями землепользования.

Во второй главе «Теоретические основы разработки средств механизации для производства табака» проведено обоснование систем технологий и комплексов технических средств для производства табака.

Существующая технологическая система производства табака включает в себя подсистему основной и предпосадочной обработки почвы (С₃), подсистему выращивания рассады табака (С₂), подсистему посадки рассады и выращивания растений табака в поле (С₁), подсистему уборки табака (В₁); подсистему подготовки табака к сушке (А₁). Уровень ее целостности = -1,78 < 0, то есть она представляет собой слабоорганизованную, суммативную систему.

Совершенствование системы технологий возможно двумя направлениями: I направление - повышение качества выполнения технологических процессов за счет совершенствования технологических схем и параметров технических средств; II направление - совершенствование структуры технологического потока за счет сокращения или объединения подсистем.

Исследования по I - му направлению повысили уровень целостности существующей системы технологий с усовершенствованными комплексами средств механизации в 8-10 раз.

Согласно II - му направлению в усовершенствованной системе технологий объединены подсистемы уборки табака (В₁) и их подготовки к сушке (А₁) в единый сквозной технологический поток (рисунок 1). За счет этого ее уровень целостности = 0,14 > 0, то есть технологическая система производства табака стала целостной. Таким образом, обосновано, что для создания усовершенствованной системы технологий необходимо объединить два технологических потока уборки листьев табака и их подготовки к сушке в единый сквозной технологический поток.

Рисунок 1 - Операторная модель усовершенствованной системы технологий производства табака

Обоснована схема новой системы комплексов технических средств, состоящая из подсистем производства табака для табаководческих хозяйств с различными площадями землепользования (рисунок 2).



Рисунок 2 - Схема новой системы комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования

Разработаны методические основы обоснования рациональных технико-эксплуатационных параметров комплексов технических средств производства табака в хозяйствах с различными площадями землепользования, при которых приведенные затраты будут наименьшие и ниже, чем при ручной технологии производства табака:

П_{маш i} < П _{сущ (ручн)} min,(1)

где: П_{маш i} - приведенные затраты при i-той машинной технологии, руб/кг;

П _{сущ (ручн)} - приведенные затраты при существующей технологии, руб/кг.

В общем виде математическую модель обоснования рациональных параметров комплексов технических средств можно представить следующим образом:

П_{маш i} = (+ 0,1+ + +

) + (Дв + Цр ) < П _{сущ (ручн)} min, (2)

где: Л_м- количество обслуживающего персонала, чел.; З_ч- часовая ставка для каждого тарифицированного разряда и квалификации рабочих, руб./час; W _экспл- производительность технического средства, га/ч (кг/ч); Ц _об- балансовая цена технических средств, руб.; Р_ам- нормативный коэффициент амортизационных отчислений на реновацию; t _эксп- сезонная загрузка технических средств, ч; Р_рем- нормативный коэффициент отчислений на ремонт и техническое обслуживание оборудования; Р_топл - расход топлива для производства табака, кг/час; Ц_топл - цена топлива, руб/кг; У_i - удельные капиталовложения, руб/кг; Дв - невозвратимые потери табачного сырья, руб/кг; Цр - снижение цены реализации табачного сырья, руб/кг.

Разработаны математические модели: определения рациональных технологических комплексов машин производства табака для хозяйств с различными площадями землепользования; обоснования рациональной ширины захвата средств механизации; обоснования рациональной скорости движения средств механизации.

В связи с тем, что табачные семена являются одними из самых мелких (менее одного миллиметра), а норма высева всего 0,3 - 0,4г/м², особенностью существующих технологий высева семян табака является предварительное смешивание их с питательной смесью.

Разработан технологический процесс рядкового высева гидравлическим способом, состоящий из двух технологических приемов: создание равномерной полидисперсной системы, состоящей из рабочей жидкости и семян; равномерной регулируемой подачи к месту высева семян по всей ширине захвата сеялки.

Необходимым условием для создания равномерной полидисперсной системы «рабочая жидкость - семена табака» является обеспечение таких режимов движения рабочей жидкости, при которой исключается ее расслоение:

U_Ф ? U_min , (3)

где: U_Ф - фактическая минимальная скорость движения жидкости, м/с;

U_min - минимальная скорость движения полидисперсной системы, при которой обеспечивается требуемая степень равномерности концентрации семян табака в объеме рабочей жидкости, м/с.

Для определения U_min рассмотрим семя табака как твердое тело объема V, находящееся в потоке жидкости, поднимающимся вертикально вверх (рисунок 3).

Рисунок 3 - К определению минимальной скорости движения полидисперсной системы «рабочая жидкость - семена табака»

Обозначим плотность семени через с_С, плотность жидкости с_Ж, и среднюю скорость ее истечения U_ср. На семя табака действуют следующие силы: сила тяжести G = с_С g V, подъемная сила R = с_Ж g V, сила сопротивления W, определяемая по общей формуле при обтекании тел:

,(4)

где: С - безразмерный коэффициент сопротивления;

F - площадь проекции семени на плоскость, нормальную к направлению движения, м²;

- скорость жидкости относительно семени табака, м/с.

Так как семена табака должны находиться в покое, приравняем нулю проекции действующих на них сил на направление движения жидкости:

R - G + W = 0.

Отсюда

. ; (5)

Из анализа формулы (5) и графиков на рисунке 4 видно, что при уменьшении разности плотностей семян и жидкости скорость жидкости будет меньше и, следовательно, при одном и том же значении скорости жидкости во взвешенном состоянии будут удерживаться семена табака большего размера.

Рассмотрим технологический процесс истечения полидисперсной системы из высевающей штанги, состоящей из ряда отверстий радиусом R_отв , расположенных с определенным расстоянием между собой.



Рисунок 4 - Влияние массы семян m_C на критическую скорость U_Ж рабочей жидкости

Определим необходимую концентрацию семян табака в полидисперсной системе К_семян:

К_семян = N _семян / V_бака, шт/м³ . (6)

Производительность сеялки рядкового высева семян равна

W_сеялки = U_сеялки • В_сеялки • m_семян , шт семян/сек , (7)

где: U_сеялки - скорость передвижения сеялки, м/с;

В_сеялки - ширина захвата сеялки, м;

m_семян - норма высева семян, шт/м².

Расход полидисперсной системы из высевающей штанги равен:

Q_{раб жидк} = р • R²_отв • n_отв • , (8)

где: R _отв - радиус высевающего отверстия, м;

n _отв - количество высевающих отверстий;

h_min - минимальный уровень полидисперсной системы в баке, м.

Определим время t_бак истечения полидисперсной системы из бака объемом V_бака:

t_бак = V_бака/ Q_{раб жидк} = V_бака/ р • R²_отв • n_отв • . ; (9)

Определим потребное количество семян N _семян на объем бака сеялки V_бака:

N _семян = W_сеялки • t_бак = U_сеялки•В_сеялки•m_семян•V_бака/ р •R²_отв•n_отв•. (10)

На основании формул (8), (9) и (10) определим необходимую концентрацию семян табака в полидисперсной системе К_семян в зависимости от конструктивно - технологических параметров сеялки (рисунок 5):

К _семян = .(11)

Рисунок 5 - Влияние конструктивно-технологических параметров сеялки для рядкового высева семян на режимы ее работы

Обоснован технологический процесс, параметры и режимы работы средств механизации для посадки рассады табака в поле. Разработана методика технологического расчета рабочего органа для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату, в основе которого лежит условие равенства количества подаваемой рассады количеству высаживаемой рассады в почву:

,(12)

где: t_рас - время подачи одной рассады, сек;

S_пос - шаг посадки, м;

V_маш - скорость машины, км/ч.

Частота вращения пневмобарабана n_бар равна (рисунок 6):

,(13)

где: _бар - угловая скорость вращения пневмобарабана, сек^-1;

L_окна - расстояние между окнами присоса, м;

R_бар - радиус пневмобарабана, м.

Рисунок 6 - Зависимость частоты вращения пневматического барабана n_Б от скорости машины V_маш

Разработана модель функционирования технологического процесса послеуборочной обработки табака F_ПУТ в виде 4-х элементного объекта (рисунок 7):

F_ПУТ = {F₁, F₂, F₃, F₄}.

Основными выходными переменными подпроцесса подготовки к уборке приняты урожайность свежеубранного табака Утi (t) и выравненность характеристик растений Кр_i (t), являющимися компонентами векторной функции F₁:

F ₁ = {Утi (t), Кр_i (t)}.

На выходе подпроцесса уборки листьев табака имеем n-ое количество векторных функций F₂, равное количеству ломок табачных листьев. Их компонентами являются количество свежеубранного табака Ур _Ci (t), его состояние К_Ci (t) и потери свежеубранных листьев П_{сл i}(t):

F ₂ = { Ур _Ci (t), К_Ci (t), П_{сл i} (t)}.

Особенностью подпроцесса сушки табака является то, что выходные элементы подпроцесса уборки являются одновременно входными элементами подпроцесса сушки.

Выходная векторная функция F₃ подпроцесса сушки включает количество неферментированных листьев Ур _НI (t), их качество К_Нi (t) и потери П _нл (t):

F₃ = {Ур _Нi (t), К_Нi (t), П _нi (t)}.



Рисунок 7 - Модель функционирования технологического процесса уборки и послеуборочной обработки табака

Ут_i (t)- урожайность свежеубранного табака; Кр_i (t) - состояние растительной массы; Ур _Ci (t) - количество свежеубранного табака; К_Ci (t) - состояние свежеубранного табака; П_{сл i}(t) - потери свежеубранного табака; Ур _НI (t) - количество неферментированного табака; К_Нi (t) - качество неферментированного табака; П _нл (t) - потери неферментированного табака Ур _Ф (t) - количество ферментированного табака; К_Ф (t) - качество ферментированного табака; П _Ф (t) - потери ферментированного табака.

Выходная векторная функция F₄ подпроцесса ферментации листьев табака включает количество ферментированных листьев табака Ур _Ф (t), его качество К_Ф (t) и потери П _Ф (t):

F₄ = {Ур _Ф (t), К_Ф (t), П _Ф (t)}.

Разработаны основные положения многоуровневого системного подхода к оптимизации параметров машинной технологии и режимов работы средств механизации для уборки табака (рисунок 8).

Рисунок 8 - Алгоритм многоуровневой оптимизации параметров машинной технологии и режимов работы технических средств

Ф_пр - природно-производственные факторы; n_техн - количество исследуемых технологий; U_j - планируемая урожайность; E_T - сумма технологических энергозатрат в расчете на единицу урожая; E_T - сумма технологических энергозатрат в расчете на единицу площади; П _{растений} - параметры растений; Сп _{отделения} - способ отделения табачного листа от стебля; С_пр - приведенные эксплуатационные затраты; W_тс - производительность технического средства; n_пр - количество проходов технического средства; V_тс - рабочая скорость технического средства; - удельный расход топлива; Ст_i - снижение стоимости табачного сырья; F₃ - введение новой технологической операции; Тсх_тс - технологическая схема технического средства для уборки табака; G_{топ. х. х.} - расход топлива холостого хода; - время вспомогательных операций; л - коэффициент распределения нормативных реакций; М _{накопителя} - оптимальная вместимость накопителя.

Задачи оптимизации на каждом уровне формировались таким образом, чтобы выходные параметры задач оптимизации предшествующих уровней являлись исходными данными для последующих уровней.

Первый уровень оптимизации - выбор и обоснование параметров машинных технологий уборки листьев табака. В качестве критериев оптимизации принимались сумма технологических энергозатрат E_T и E_T, а также полнота отделения листьев и их повреждаемость. Результатом оптимизации являлись параметры растений П _{растений} и способ отделения табачного листа от стебля Сп _{отделения}.

Второй уровень оптимизации предусматривал обоснование наиболее важных параметров машинной технологии и режимов работы технического средства. Исходными входными данными являлись результаты оптимизации первого уровня. Критериями оптимизации являлись приведенные затраты С_пр и производительность технического средства W_тс.

На третьем уровне оптимизации обосновывалась технологическая и компоновочная схемы технического средства для уборки табака. Критериями оптимизации являлись снижение стоимости табачного сырья Ст_i при машинной технологии уборки и удельный расход топлива .

Четвертый уровень оптимизации использован для обоснования компоновочной схемы энергетического средства, а также оптимизации вместимости накопителя листьев табака М _{накопителя}. Критериями оптимизации являлись время вспомогательных операций Т_{всп. оп.} технического средства и расход топлива холостого хода G_{топлива х.х.}.

Пятый уровень носит обобщающий характер.

Обоснованы основные параметры технологического процесса и рабочего органа для прорезания средней жилки табачного листа (рисунок 9). Дисковый нож вращается с окружной скоростью V_окр. Разложим V_окр на две составляющие: V_N - нормальная составляющая и V_T - тангенциальная составляющая скорости резания. V_N производит рубящее резание, а V_T - скользящее резание средней жилки.

Рисунок 9 - Расчетная модель рабочих органов для прорезания средней жилки табачного листа

Определим зависимость усилия резания от соотношения тангенциальной V_T и нормальной V_N скоростей резания, условно названного коэффициентом продольного перемещения К или:

К = (14)

Рассмотрим процесс резания средней жилки в случае, когда табачный лист перемещается относительно дискового ножа со скоростью V_под. В этом случае:

=

V_N = .

Коэффициент продольного перемещения будет равен:

К = =

Cos = ,

а Sin = = = ,

где: h _рез - глубина прорезания средней жилки, м;

R_Н - радиус ножа прорезателя, м.

К = ,

где: - кинематический показатель = .

После преобразований определим

.(15)

На основании (15) проведено графическое исследование влияния радиуса ножа R_Н и глубины прорезания h_рез на величину кинематического показателя , исходя из минимальных затрат энергии на прорезание средней жилки (рисунок 10).

Рисунок 10 - Влияние радиуса ножа R_Н и глубины прорезания h_рез на величину кинематического показателя

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены программа экспериментальных исследований, методика определения физико-механических свойств табачных растений, методики проведения исследований технологических процессов и рабочих органов средств механизации производства табака, а также методики проведения испытаний средств механизации для вершкования растений табака, уборки и подготовки листьев табака к сушке.

Лабораторные исследования проводились на экспериментальных установках, изготовленных в лаборатории механизации и послеуборочной обработки табака ГНУ ВНИИТТИ с использованием классических методов и теории многофакторного эксперимента, а также специальных методик, созданных автором. На их основе разработаны и внедрены отраслевые стандарты ОСТ 10.8.16 - 87, ОСТ 10.8.16-2002 и ОСТ 10 10.10-2002, использованные при испытаниях технических средств для производства табака.

Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПК программами Excel и MathCad.

В четвертой главе «Совершенствование машинных технологий и средств механизации возделывания табака» приводятся результаты исследований по разработке машинных технологий и средств механизации выращивания рассады табака, высадки ее в поле и ухода за плантациями табака.

Выявлены границы эффективного функционирования технологических комплексов технических средств для выращивания рассады (рисунок 11): для табаководческих хозяйств с площадью посадок от 50 до 100 га целесообразно использовать комплекс средств механизации для выращивания рассады табака в теплицах с применением рядкового посева; для хозяйств с площадью посадок от 25 до 50 га целесообразно выращивать рассаду табака в парниках с применением комплекса средств механизации, агрегатируемых с самоходным шасси Т-16МГ; для хозяйств с площадью посадок до 25 га и до 1 га целесообразно применение при выращивании рассады табака средств малой механизации.

Разработаны различные конструкции пленочных сооружений для выращивания рассады, новизна разработки которых подтверждена патентами РФ. Для выращивания рассады в парниках разработан каркас под пленочное укрытие парников.

Для выращивания рассады в теплице разработан каркас пленочного сооружения модульного типа с переменными типоразмерами (рисунок 12).

Рисунок 11 - Зависимость приведенных затрат Пi при выращивании рассады от площади посадок S_пос при различных технологических комплексах

1 - выращивание рассады табака вручную; 2 - технологический комплекс выращивания рассады табака в парниках; 3 - технологический комплекс выращивания рассады табака в теплицах с использованием разбросного посева; 4 - технологический комплекс выращивания рассады табака в теплицах с использованием рядкового посева.

Рисунок 12 - Схема каркаса пленочной теплицы

1, 2- дуги; 3- прогоны; 4- крестовины; 5- стойки

На основании проведенных исследований и испытаний пленочной теплицы для выращивания рассады табака разработан типовой проект «Блок пленочных теплиц с комплексом средств механизации для выращивания рассады табака площадью 0,3 га».

Для механизации агротехнологических операций выращивания рассады табака в пленочных теплицах разработан комплекс средств механизации на базе мостового электрифицированного шасси (рисунок 13).

Рисунок 13 - Опытный образец пленочной теплицы с комплексом технических средств

По результатам испытаний рекомендовано использовать комплекс средств механизации для выращивания рассады в пленочных сооружениях на базе мостового электрифицированного шасси в табачных хозяйствах.

Установлены границы эффективного функционирования машин для посадки рассады: для хозяйств с площадью от 50 до 100 га целесообразно использовать рассадопосадочную машину с шириной захвата шесть рядов; для хозяйств с площадью от 25 до 50 га рекомендуется применять рассадопосадочную машину с шириной захвата три - четыре ряда; для хозяйств с площадью от 12 до 25 га при посадке рассады табака целесообразно применение рассадопосадочной машины с шириной захвата два ряда; для хозяйств с площадью до 12 га при посадке рассады целесообразно применение средств малой механизации (рисунок 14).



Рисунок 14 - Зависимость приведенных затрат Пi от площади посадок S_пос при использовании средств механизации для посадки рассады табака

1 - ручная посадка; ширина захвата - 2 ряда; ширина захвата - 3 ряда; ширина захвата - 4 ряда; ширина захвата - 6 рядов.

Разработана машина для посадки рассады табака с приспособлением для автоматической подачи рассады, состоящая из рассадопосадочного агрегата и приспособления для автоматической подачи рассады к посадочному аппарату (рисунок 15).

а



б

Рисунок 15 - Машина для посадки рассады табака с приспособлением для автоматизированной подачи рассады

а- вид общий;

б- рабочий орган для автоматической подачи рассады в работе;

1- посадочная секция; 2- экспериментальная посадочная секция; 3- экспериментальный образец рабочего органа для подачи рассады к посадочному аппарату; 4- патрубки соединительные; 5- распределитель пневматический.

Испытаниями экспериментального образца машины для посадки рассады табака с приспособлением для автоматизированной подачи рассады установлено, что ее производительность до 2,5 раз выше производительности машины при ручной подаче, что позволяет снизить затраты труда на 60-70%.

В пятой главе «Совершенствование машинных технологий и средств механизации уборки листьев табака и подготовки их к сушке» представлены результаты исследований по механизации технологических процессов уборки и подготовки листьев табака к сушке.

Проведено обоснование машинной технологии уборки листьев табака.

Предложено при подготовке листьев табака к сушке разделять их по степени механических повреждений на три группы:

I группа- целые листья и листья табака с повреждениями листовой пластинкой не более 30 %;

II группа - листья с повреждениями пластинки листа до 50 % и части листьев площадью более 225 см²;

III группа - части листьев площадью менее 225 см².

Установлено, что листья табака II группы повреждений в сравнении с листьями табака I группы сушатся интенсивнее на 13-15 %, а листья табака III группы повреждений - на 43-45 % (рисунок 16).

Рисунок 16 - Изменение влагосодержания W листьев табака различных групп повреждений в зависимости от продолжительности их сушки

1 - I группа повреждений; 2 - II группа повреждений; 3 - III группа повреждений.

Исследовали влияние механических повреждений на условный расход сырья на единицу курительных изделий (рисунок 17).

Выявлено, что условный расход табачного сырья, полученного из листьев табака I-II групп повреждений, в сравнении табачным сырьем ручной уборки выше не более, чем на 3 %, а условный расход табачного сырья, полученного из листьев табака III группы повреждений - ниже до 27%.

Рисунок 17 - Влияние технологии уборки на расход табачного сырья при изготовлении курительных изделий

Оптимизированы основные параметры машинных технологий и режимов работы средств механизации для уборки табака.

На первом уровне оптимизации установлено, что для обеспечения агротехнических требований уборки листьев табака допустимый угол отклонения от оси стеблей растений не должен превышать 20⁰ .

На втором уровне оптимизации установлено, что машинная уборка табака эффективна при скорости технического средства V_маш > 1,8 км/час.

На третьем уровне оптимизации разработана усовершенствованная технологическая схема технического средства для уборки листьев табака, включающая в себя новый технологический прием - сепарацию свежеубранных листьев табака по степени механических повреждений (рисунок 18).



а

б

Рисунок 18 - Усовершенствованная технологическая схема технического средства для уборки листьев табака

1 - самоходное шасси; 2 - листоотделяющий рабочий орган; 3 - щеточные диски; 4 - устройство для сепарации листьев; 9 - технологический контейнер; 10 - выносной конвейер; 11- бункер

а) - вид сборку; б) - вид сверху.

На четвертом уровне оптимизации установлено, что затраты мощности на перекатывание технического средства для уборки листьев табака с поперечно-прямоточной компоновочной схемой выше в сравнении с агрегатом с продольно- прямоточной компоновочной схемой на 11%, а расход топлива - на 4,8%. Определено, что оптимальная вместимость накопителя листьев табака составляет 500-700 кг.

Проведены исследования по повышению эффективности машинной технологии подготовки листьев табака к сушке. Обоснован технологический прием интенсификации их сушки за счет прорезания средней жилки, обеспечивающий повышение скорости испарения влаги из средней жилки до скорости испарения из пластинки листа. Установлено, что наиболее эффективным способом механического воздействия на средние жилки листьев табака является их прорезание вдоль волокон. Выявлено, что продолжительность сушки листьев табака с прорезанной жилкой вдоль волокон, в сравнении с контролем, сокращается на 20-30%, а перед прорезанием средней жилки листья табака должны быть предварительно вытомлены.

Разработана функциональная схема технологической системы уборки табака и подготовки их к сушке в сквозном едином технологическом потоке (рисунок 19).

Рисунок 19 - Функциональная схема технологической системы для уборки листьев табака и подготовки их к сушке

1 -технологическая операция отделения листьев; 2 - технологическая операция сепарации листьев; 3 - технологический процесс транспортирования частей листьев; 4 - технологический процесс транспортирования целых листьев в рулонном накопителе; 5 - технологическая операция полистной расщипки и ориентации листьев; 6- технологическая операция прорезания средних жилок; 7 - технологическая операция загрузки табака в игольчатые кассеты; 8 - технологическая операция закрепления листьев на шнуры

С целью совмещения транспортирования свежеубранных листьев табака с частичной подсушкой и томлением разработан новый способ их накопления и транспортирования. Сущность его заключается в формировании рулона с листьями между поверхностями гибкого воздухопроницаемого материала. При этом слой листьев табака формируется при укладке их между внутренней и наружной поверхностью одного и того же материала, причём материал имеет шероховатую поверхность и обладает гигроскопическими свойствами.

Согласно предлагаемому способу разработан рулонный накопитель целых листьев, осуществляющий их накопление и транспортирование (рисунок 20).

а б

Рисунок 20 - Технологическая схема рулонного накопителя для накопления и транспортирования свежеубранных листьев табака

а) - вид сбоку; б) - вид сверху; 1 - подающий барабан; 2 - приемный барабан; 3 - материал; 4 - рулон с листьями.

Исследованиями технологического процесса накопления и транспортирования листьев табака в рулонном накопителе установлено, что его применение снижает продолжительность сушки на 10-15% за счет осуществления частичной подсушки их в процессе накопления и транспортирования (рисунок 21).



Рисунок 21 - Влияние ширины материала рулонного накопителя на величину убыли массы в процессе накопления и транспортирования листьев табака

Технологическая линия для подготовки листьев табака к сушке предназначена для их прорезания и закрепления на шнур (рисунок 22).

Рисунок 22 - Технологическая схема линии для подготовки листьев табака к естественной сушке на шнурах

1 - подающий транспортер, 2 - барабан расщипки, 3 - консольный выносной транспортер, 4 - растягивающие транспортеры, 5 - рабочий орган для прорезания средних жилок листьев табака, 6 - табакопришивная машина.

Проведены исследования по разработке технологической схемы и оптимизации параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средних жилок на постоянную глубину прорезания (рисунок 23).

Изучено влияние режимов работы рабочего органа для прорезания средних жилок листьев табака на продолжительность естественной сушки Т_суш. Оптимизацию его параметров проводили на основе анализа уравнения регрессии второго порядка, полученного при реализации трехфакторного эксперимента.

Рисунок 23 - Технологическая схема рабочего органа для прорезания средних жилок листьев табака

1 - корпус; 2 - барабан с дисковыми ножами; 3 - гладкий барабан.

Исследовали следующие факторы: кинематический показатель (Х₁), продолжительность томления листьев перед прорезанием их средних жилок t (Х₂) и величину зазора между ножами прорезателя и транспортером S (Х₃).

За параметр отклика Y была выбрана продолжительность сушки табачных листьев Тсуш.

Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид:

Т_суш. = 293,6 - 26,2 Х₃ - 26,5 Х₁ ² - 94,1 Х₂ +213,7 Х₃² -28,7 Х₁ Х₃

Анализ результатов многофакторного эксперимента показал, что наименьшую продолжительность сушки листьев табака наблюдали после прорезания средних жилок предварительно вытомленных листьев табака с плавающим зазором S = 0 мм и кинематическим показателем 4,8.

Проведены исследования влияния технологий подготовки листьев табака к сушке на шнуре на продолжительность естественной сушки (рисунок 24).

Выявлено, что продолжительность сушки листьев табака, подготовленных к сушке на технологической линии, в сравнении с ручной технологией, сократилась в 1,7 раза.

Испытаниями технологической системы для уборки листьев табака и подготовки их к сушке в едином сквозном технологическом потоке установлено, что ее реализация в виде разработанных средств механизации обеспечивает повышение полноты сбора листьев табака верхних ломок в 2,5-3,0 раза, снижение затрат труда при подготовке листьев табака к сушке на 50-60 %; снижение продолжительности сушки на 35-40%.

Рисунок 24 - Влияние технологии подготовки листьев табака к сушке на продолжительность естественной сушки

1 - контроль; 2 - ручная технология прорезания; 3 - машинная технология прорезания.

В шестой главе «Экономическая эффективность использования комплексов технических средств» определена экономическая эффективность использования разработанных подсистем комплексов технических средств для хозяйств с различными площадями землепользования.

Их применение окупится в течение 1,2 - 1,5 года и позволит получить годовой дисконтированный доход в размере 2,8 - 8,9 млн. руб. за счет повышения производительности труда в 26 - 29 раз.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые выполнены комплексные исследования по разработке научных основ повышения эффективности машинных технологий производства табака для хозяйств с различными площадями землепользования. Установлены закономерности функционирования комплексов технических средств для этих хозяйств, ряд технологических операций объединен в сквозной единый технологический поток, оптимизированы параметры и режимы работы средств механизации для табаководства.