Розділ 11

Розділ 11

ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТА РОЗРАХУНКУ МАШИН ДЛЯ ЗБИРАННЯ КАРТОПЛІ

11.1. Машини і способи збирання картоплі

Збирання та післязбиральна обробка бульбоплодів — один з найбільш трудомістких процесів сільськогосподарського виробницт- ва. Залежно від кліматичних умов та наявності засобів механізації картоплю збирають картоплекопачами з підбором бульб уручну, прямим комбайнуванням та двофазним способом — роздільним або комбінованим. Перший спосіб потребує значних витрат ручної праці і застосовується з картоплекопачами КСТ-1,4; КТН-2В.

Пряме комбайнування доцільне на легких і середніх ґрунтах за вологості не більше ніж 23 %. Для цього використовують комбайни ККУ-2А; Е-667 та ін.

При дворядному роздільному способі збирання бульби викопують картоплезбиральною машиною УКВ-2 та вкладають у валок з двох, чотирьох або шести рядків залежно від урожайності та механічного складу ґрунту. Після просушування у валку картоплю підбирають комбайном, продуктивність роботи якого значно зростає.

Комбінований спосіб збирання, як правило, застосовують на лег- ких та середніх ґрунтах. Залежно від урожайності працюють за схе- мою 2 + 2 або 2 + 4, викопуючи бульби з двох або чотирьох рядків і вкладаючи їх на два сусідні не викопані для подальшого загального підбирання комбайном.

11.2.Технологічні властивості картоплі

вперіод збирання

На момент збирання поле має гребінчастий вигляд. Висота гре- бенів становить 11…20 см. Найбільше застосовують ширину між- ряддя 70 см. Гніздо картоплі має ширину 7…40 см, а глибину заля- гання — до 25 см.

Фізико-механічні властивості картоплі залежать від сорту та умов вирощування. Як правило, у кущі буває від 4 до 30 бульб. Із кожного куща виростає 3 – 6 стеблин бадилля діаметром 4…20 мм, заввишки 60…90 см.

426

Основи теорії та розрахунку машин для збирання картоплі

Маса та розміри бульб залежать від сорту і за значенням дуже варіюються. Так, мінімальна маса картоплі становить 25 г, а мак- симальна — 150 г.

В.П. Горячкін установив залежність маси від геометричних роз- мірів:

де m — маса бульби; Еk = 0,56…0,65 — коефіцієнт; a, b, с — відповід- но довжина, ширина і товщина бульби.

де E0 — коефіцієнт (для еліпсоїда E0 = 4/3π).

Об’ємна маса картоплі становить 0,5…0,7 т/м3, а густина —

1,04…1,09 г/см3.

Зусилля відокремлення картоплі від бадилля дорівнює 4…12 Н, що значно менше, ніж зусилля статичного руйнування бульб, яке залежить від сорту картоплі та напрямку статичного навантаження і коливається в межах 200…990 Н. Зазначимо, що зусилля руйну- вання грудок ґрунту зростає зі збільшенням їхніх розмірів і стано- вить 40…200 Н. Отже, границі міцності картоплі та грудок ґрунту майже не перекриваються.

Робочі органи картоплезбиральних машин переважно сепарують ворох бульбоплодів за різницею геометричних розмірів та фрикцій- них властивостей бульб і грудок ґрунту. При переміщенні бульб ви- никає тертя як ковзання, так і кочення (табл. 11.1)

Таблиця 11.1. Значення коефіцієнта тертя картоплі

Коефіцієнт тертя грудок ґрунту залежить від його вологості та фізичного складу і, як правило, більший за значенням. Так, коефі- цієнт тертя кочення грудок ґрунту по сталі становить близько 0,5; а

по гумі — 0,40…0,62.

Робочі органи бульбозбиральних машин мають працювати з найменшими пошкодженнями матеріалу. Тому, проектуючи їх, по- трібно враховувати значення максимально допустимої висоти па- діння та швидкості картоплі (табл. 11.2).

427

Розділ 11

Таблиця 11.2. Допустимі висота падіння та швидкість картоплі

Про це слід пам’ятати також у процесі експлуатації картопле- збиральних машин. При розвантаженні (перевантаженні) вороху бульбоплодів з висоти 1 м на сталь кількість пошкоджених бульб досягає 80 %, що призводить до значних втрат при подальшому збе- ріганні.

На процес роботи машин для збирання картоплі дуже впливає стан ґрунту. Процес викопування та сепарації вороху бульбоплодів залежить насамперед від його фізичного складу та вологості. Як правило, у період збирання вологість ґрунту коливається в межах 10…26 %. Оптимальне значення вологості ґрунту для збиральних машин становить 14…20 %, що обмежує їх застосування.

11.3.Типи та основні параметри підкопувальних робочих органів

Робочий процес збирання картоплі як при прямому комбайну- ванні, так і при роздільному способі починається з підкопування скиби ґрунту з кущем.

Підкопувальні робочі органи поділяють на дві великі групи: па- сивні та активні. Застосовують також їх поєднання — комбіновані робочі органи.

Пасивні підкопувальні робочі органи не здійснюють будь-якого руху відносно машини. До таких підкопувальних органів належать: прямий плоский леміш (рис. 11.1, а); плоский леміш зі скошеними кромками (рис. 11.1, б); підковоподібний леміш (рис. 11.1, в); сек- ційний леміш (рис. 11.1, г).

Пасивні робочі органи мають і переваги, і недоліки. Переваги полягають у простоті конструкції та відсутності динамічних наван- тажень.

Рис. 11.1. Типи пасивних підкопувальних робочих органів

428

Основи теорії та розрахунку машин для збирання картоплі

Їхнім істотним недоліком є великий тяговий опір. Щоб уникнути втрат бульб при сповзанні частини підкопаної скиби з кущем, плос- кі лемеші змушені робити збільшеної ширини захвату, що призво- дить до значного тягового опору. Мен- ші втрати підкопаного вороху мають підковоподібний і секційний лемеші.

Вони не потребують збільшеної ши- рини захвату. Проте налипання ґрун- ту та рослинних решток зумовлює ефект бульдозера, що також збільшує тяговий опір.

Розглянемо параметри плоского пасивного лемеша, встановленого під кутом α до горизонту (рис. 11.2).

Щоб зменшити тяговий опір, кут нахилу α потрібно зменшувати. Проте експериментально встановлено, що чим більший кут α, тим краще само- очищення леза лемеша від рослинних решток та налипання ґрунту. Крім цього, значення кута α конструктивно пов’язане з висотою заднього обрізу лемеша Н та його довжиною L:

Висоту Н підбирають так, щоб був плавний перехід підкопаної скиби до наступних робочих органів, а зазор ∆ ≥ 40 мм.

Отже, оптимальним вважають кут нахилу лемеша до горизонту

15…20°.

З метою самоочищення леза лемеша кут скосу γ вибирають за умови ковзання скиби з підкопаним кущем бульб по лезу.

Зусилля Р від дії підкопаного вороху на лезо лемеша розкладемо на складові P1 і P2 :

де N — нормальна сила.

Сила тертя F спрямована в протилежний бік від сили Р1. Ворох ковзається по лезу за умови P1 > F, або

де ϕ — кут тертя ковзання вороху по лезу лемеша.

429

Розділ 11

Підставивши значення нормальної сили N (11.5), після перетво- рень отримаємо

Проте зі зменшенням кута γ збільшується довжина лемеша L, що негативно впливає на сповзання скиби з його поверхні і збільшує тяговий опір. Тому в існуючих конструкціях кут скосу становить

40…50°.

Ширина лемеша B залежить від ширини гнізда бульб та глиби- ни залягання куща:

де b — ширина гнізда бульб; δ — зміщення осі рядка відносно осі лемеша; hк — глибина копання; h — глибина залягання крайніх по

ширині бульб; ψ — кут природного відкосу ґрунту.

До активних підкопу- вальних робочих органів (рис. 11.3) належать леме- ші, що здійснюють коли- вання з плоскопаралель- ним рухом (рис. 11.3, а), маятникові (рис. 11.3, б) та дискові (рис. 11.3, в).

У комбінованих робочих органах, як правило, актив- ними є боковини, а самі ле- меші залишаються пасив-

ними (рис. 11.3, г).

Найпоширенішими є ко- ливні лемеші. Порівняно з пасивними вони мають такі переваги: значно менший тяговий опір; відсутність згудження ґрунту; відсут-

ність розвалу підкопаної скиби з кущем і втрат бульб.

До їхніх недоліків належать великі динамічні навантаження та незрівноваженість мас.

Тяговий опір лемеша значною мірою залежить від вибору зна- чень параметрів і режимів його роботи. Пасивний леміш переборює опір різання ґрунту Рр та опір руху скиби, що лежить на лемеші Рск.

Повне значення тягового опору пасивного лемеша становить

430

Основи теорії та розрахунку машин для збирання картоплі

У коливного лемеша рух вперед і різання ґрунту здійснюються тоді, коли скиба, що лежить на лемеші, підкинута вгору і не чинить будь-якого опору Рск = 0. Тому тяговий опір Р дорівнює тільки опору

різання Рр. Якщо скиба знаходиться на лемеші, то руху вперед не

відбувається.

Проте, якщо коливання лемеша не узгоджені з таким циклом роботи, то тяговий опір не тільки не знизиться, а навпаки, збільшиться:

де Руд — опір удару скиби об леміш.

Отже, коливання лемеша мають відповідати умові відсутності опору руху скиби під час різання. Щоб визначити цю умову, розгля- немо схему роботи коливного лемеша (рис. 11.4), встановленого під кутом α до горизонту.

Рис. 11.4. Схема роботи коливного лемеша

На скибу, що лежить на лемеші, діє сила тяжіння G та сила інер- ції І:

де m — маса часточки скиби; ω — кутова швидкість кривошипа; r — радіус кривошипа; ωt — кут повороту кривошипа.

Сила інерції під кутом β спрямована до площини лемеша і по- стійно змінює свій напрямок. При положенні кривошипа в І та ІV квадрантах сила інерції направлена вгору, а в ІІ та ІІІ квадран- тах — униз. Кут коливань β також постійно змінюється, але в дуже малих межах ( ∆β = 2…3°). Тому для розрахунків беремо β = const.

431

Розділ 11

Тяговий опір активного лемеша знижуватиметься лише тоді, ко- ли в момент підрізання ґрунту відбудеться підкидання скиби, що лежить на лемеші. У цей момент складова сили інерції нормалі відносно лемеша буде більшою за аналогічну складову сили тяжін-

ня I1 > G1:

G1 = G cosα = mg cos α.

Тоді умова відриву

Визначимо момент початку різання. Носок лемеша здійснює ко- ливальний рух та переносний від руху машини. Отже, абсолютна швидкість леза лемеша (див. рис. 11.4) має такі складові:

де vм — швидкість машини; vк — швидкість коливань лемеша. Швидкість коливань лемеша можна подати у вигляді

Вона нахилена під кутом (α + β) до горизонту і її напрямок зале- жить від положення кривошипа. При 0 < ωt < π швидкість коливань спрямована вперед і вниз, тобто відбувається підрізання ґрунту. При π < ωt < 2π — швидкість коливання направлена назад і вгору.

Отже, різання відбувається тоді, коли складова руху лемеша від переносного та коливного рухів спрямована в бік руху машини.

Швидкість коливань розкладемо на вертикальну vу та горизон- тальну vx складові. Початок різання відповідає моменту, коли гори- зонтальна складова vx, яка направлена проти ходу машини, змен-

де ωt0 — кут повороту кривошипа у момент початку підрізання ґрунту.

432

Основи теорії та розрахунку машин для збирання картоплі

Ураховуючи, що cos2x = 1 – sin2x, підставимо вираз (11.18) у ви- раз граничної умови відриву скиби від лемеша (11.14):

Після перетворень і розв’язання відносно ω знайдемо значення кутової швидкості кривошипа підкидання скиби для заданих пара- метрів α, β та r:

Експериментальними дослідженнями встановлено, що оптима- льне значення кута нахилу лемеша до горизонту становить близько 20°, а кута коливань — 10…15°. При цьому кутова швидкість кри- вошипа — 60…70 рад/с.

На тяговий опір значно впливає також кут нахилу вектора абсо- лютної швидкості до горизонту ε. За умови ε > α леміш нижньою ча- стиною вдавлюється в ґрунт, що значно збільшує тяговий опір. От- же, другою умовою зменшення тягового опору активного лемеша є вираз ε ≤ α.

Визначимо кут ε, розглянувши трикутник АВС (див. рис. 11.4):

Вертикальну і горизонтальну складові швидкості коливань по- дамо у вигляді

vy = vк sin (α + β) = ωr sinωt sin (α + β); vx = vк cos (α + β) = ωr sin ωt cos (α + β).

Підставивши їхні значення у (11.22), отримаємо

433