Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований ... 12
1.1. 1.1. Анализ исследований свойств семян лиственных пород с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников 12
1.2. 1.2. Обзор и анализ технологий, конструкций машин и технических
средств, для обработки лесных семян и извлечения их из околоплодников... 18
1.3. Обзор исследований по процессам обработки и извлечения лесных семян из околоплодников 28
1.4. Выводы 32
Глава 2. Обоснование технологической схемы и конструкции шнеково-щеточного устройства и теоретические исследования закономерностей движения семян 2.1
2.1. Обоснование технологической схемы и конструкции шнеково-щеточного устройства 34
2.2. Определение рабочей скорости шнеково-щеточного питателя в конической камере при обработке околоплодников
2.3. Теоретическое исследование шнеково-щеточного устройства для извлечения лесных семян из околоплодников 46
2.4. Выводы 56
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 57
3.1. 3.1. Программа экспериментальных исследований 57
3.2. Методика исследования основных свойств семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников 56
3.2.1. Методика определения состава исходного вороха семенного сырья исследуемых пород 58
3.2.2. Методика определения размеров семян лиственных пород с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников 58
3.2.3. Методика определения массы 1000 семян 59
3.2.4. Методика определения объемной массы семян 59
3.2.5. Методика определения массовых и объемных коэффициентов 60
3.2.6. Методика определения углов естественного откоса 60
3.2.7. Методика определения коэффициентов трения 61
3.2.8. Методика определения прочности крепления крылаток к лесным семенам и усилий излома плодов-бобов 62
3.3. Методика лабораторных исследований шнеково-щеточного устройства для обработки семян с крылатками и извлечения семян из плодов-бобов 65
Глава 4. Результаты исследований свойств лесных семянс крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников и результаты испытаний лабораторной установки 67
4.1. Результаты исследований свойств лесных семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников 67
4.2. Результаты испытаний лабораторной установки для отделения крылаток у лесных семян и извлечения их из околоплодников плодов-бобов 79
4.3. Выводы 88
Глава 5. Экономическая эффективность внедрения шнеково-щеточного устройства 90
5.1. Описание лабораторной установки для обработки лесных семян с крылатками и извлечения их из плодов-бобов 90
5.2. Расчет экономической эффективности от использования лабораторной установки 92
5.3. Выводы 99
Заключение 100
Список литературы
- Обзор и анализ технологий, конструкций машин и технических
- Определение рабочей скорости шнеково-щеточного питателя в конической камере при обработке околоплодников
- Методика определения размеров семян лиственных пород с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников
- Результаты испытаний лабораторной установки для отделения крылаток у лесных семян и извлечения их из околоплодников плодов-бобов
Введение к работе
Актуальность темы. За последние годы пожарами, антропогенной деятельностью человека уничтожены огромные площади лесных насаждений. Для создания и восстановления защитных лесных насаждений, в том числе, полезащитных лесных полос, насаждений вдоль автомобильных дорог и железнодорожных магистралей Центрально-Черноземного региона и Юга Российской Федерации требуется большое количество семян. Наибольшее применение для этих целей имеют следующие древесно-кустарниковые породы: лиственные — это семейство кленов, ясеней и ильмовых, а стручковые - акация белая, желтая и гледичия обыкновенная. Указанные породы обладают высокой засухоустойчивостью, устойчивостью к болезням, повреждению вредителями и техногенными загрязнениями. В своем естественном состоянии семена лесных культур малопригодны для проведения посевом. Поэтому их подвергают соответствующим способам обработки. Существующие машины МОС-1, МОС-1А и др., недостаточно эффективно отделяют крылатки от семян, а машины МИС-1, МИС-3 травмируют, и не полностью извлекают семена из плодов-бобов. Поэтому они не нашли своего практического применения и, в связи с этим, обескрыливание семян и извлечение их из плодов-бобов проводят вручную или в самодельных устройствах.
Степень разработанности проблемы. Свойства лесных семян являются одними из основных исходных данных при выборе наиболее рациональных методов их обработки. Об этом свидетельствуют исследования ученых В.И. Войчаль, Е.П. Заборовского, В.Д. Замысловского, А.К. Карабаки, Л.П. Крутикова, Ю.И. Полупарнева, Л.Т. Свиридова, А.В. Синельникова, Т.М. Соболевой. Исследованиями по процессам обработки и извлечения лесных семян из околоплодников в различные годы занимались СЮ. Абсентов, Г.В. Бахтин, О.М. Костиков, Л.П. Крутиков, Ю.С. Осипов, Ю.И. Полупарнев, Г.М. Сара-лидзе, Л.Т. Свиридов, Ф.И. Сергеенков. Несмотря на большое количество исследований физико-механических свойств семян древесно-кустарниковых пород и плодов-бобов, следует отметить, что они проводились в различные годы, имеют чисто описательный характер. Проведенный аналитический обзор по процессам обработки и извлечения лесных семян из околоплодников показал, что теоретические исследования, характеризующие закономерности процесса обескрыливания и извлечения семян из околоплодников плодов-бобов, практически отсутствуют, а имеющиеся аналитические зависимости не могут использоваться, при исследовании процесса обработки лесных семян, так как не в полной мере учитывают их физико-механические свойства.
Цель и задачи исследований. Целью исследования является повышение эффективности технологического процесса обработки семян лиственных пород, и извлечения их из плодов-бобов стручковых пород, за счет разработки новой технологической схемы и конструкции шнеково-щеточного устройства для обработки и извлечения семян из околоплодников.
Исходя из поставленной цели работы, определены следующие задачи:
-
изучить основные свойства семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников;
-
получить аналитические зависимости с программным обеспечением для определения рабочей скорости шнеково-щеточного устройства и усилия для излома крылатки у семян лиственных пород и извлечения семян из плодов-бобов;
-
обосновать новую технологическую схему, конструкцию, параметры и режимы работы шнеково-щеточного устройства для обработки семян с крылатками и извлечения их из плодов-бобов;
-
провести лабораторные испытания шнеково-щеточного устройства для обработки семян с крылатками и извлечения их из плодов-бобов.
Объект и предмет исследований. Объектом исследования является технологический процесс обработки лесных семян и извлечение их из околоплодников. Предметом исследования являются закономерности движения лесных семян в коническом бункере со шнеково-щеточным устройством при обработке лесных семян и извлечении их из околоплодников.
Научная новизна работы.
-
Изучены основные свойства лесных семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников и на их основе обоснована технологическая схема, конструкция, параметры и режимы работы инновационного шнеково-щеточного устройства для извлечения семян из околоплодников.
-
Разработано новое техническое решение, отличающееся тем, что обескры-ливатель выполнен в виде рабочей камеры, состоящей из металлической бугорчатой поверхности и съемной сетчатой поверхности, которое позволяет повысить эффективность процесса обескрыливания семян и выделения их из стручков плодов-бобов.
-
Получены аналитические зависимости, позволяющие определять рабочую скорость шнеково-щеточного устройства и силу трения для гарантированного разрушения створок плодов-бобов и извлечения семян из околоплодников, для расчета которых разработано программное обеспечение.
-
Обоснованы и апробированы в производственных условиях конструктивные и технологические параметры шнеково-щеточного устройства для обработки и извлечения семян из околоплодников.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении зависимости значений рабочей скорости шнеково-щеточного устройства для обескрыливания семян с крылаток и извлечения их из стручков плодов-бобов от конструктивно-технологических параметров шнеково-щеточного питателя и загрузочного бункера, а так же в установлении зависимости силы трения, определяющей гарантированное разрушение створок плодов-бобов у большого основания загрузочного бункера, от модуля упругости щеток, длины плода-боба, густоты щетинок, конструктивных, кинематических, фрикционных, упругих и размерных параметров шнеково-щеточного устройства.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты научных исследований позволяют на стадии проектирования семяочистительных машин и технических средств, для извлечения семян из околоплодников, обосновать конструктивные и технологические параметры шнеково-щеточных устройств, повысить технический уровень и эффективность существующих и вновь создаваемых семяочистительных машин, а рекомендации по параметрам и режимам работы использовать на производстве. Шнеко-во-щеточное устройство прошло лабораторную проверку, а результаты научных исследований использованы в Россошанском филиале КУ ВО "Лесная охрана" "Россошанское лесничество", учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» и учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные результаты, полученные при проведении исследований, соответствуют п. 5 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин» паспорта специальности 05.21.01 — «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Изучение исходного вороха, свойств лесных семян с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников проводили на основе стандартных методик.
Теоретические исследования были проведены на основе законов механики, прикладной математики и математического анализа при обосновании технологической схемы и исследовании закономерностей в шнеково-щеточном устройстве для обработки и извлечения семян из околоплодников. Экспериментальные исследования базировались на стандартных, общепринятых методиках с использованием математической статистики. Лабораторные испытания проводили на лабораторной установке для обработки и извлечения лесных семян из околоплодников. Для обработки результатов и проведения расчетов использовали программу для ЭВМ «Определение рабочей скорости шнеково-щеточного питателя».
Научные положения, выносимые на защиту:
1) основные показатели свойств лесных семян с крылатками: клена остролистного, ясеня обыкновенного, вяза обыкновенного; обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников: акации белой, акации желтой и гледичии обыкновенной;
-
инновационная технологическая схема и конструкция шнеково-щеточного устройства для обработки лесных семян с крылатками и извлечения их из плодов-бобов стручковых пород;
-
аналитические зависимости с программным обеспечением, позволяющие определить рабочую скорость шнеково-щеточного устройства и усилия, для гарантированного излома крылатки у семян лиственных и извлечения их из плодов-бобов стручковых пород.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также положительными результатами лабораторных испытаний. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях молодых ученых и профессорско-преподавательского состава: Всерос-сийкая научно-практическая конференция «Лесной комплекс России: актуальные проблемы и стратегии развития» (г. Воронеж, 2015), VIII международная научная конференция «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва, 2015), на заседаниях кафедры «Производства, ремонта и эксплуатации машин» (ПРЭМ) ВГЛТУ.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, планировании и проведении экспериментов, разработке конструкции лабораторной установки, выполнении вычислительных операций, анализе результатов работы, подготовке основных публикаций по теме исследования.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 126 стр., из них 115 страниц основного текста и 11 страниц приложения. Работа включает 40 иллюстраций, 14 таблиц и 113 наименований использованных источников литературы.
Обзор и анализ технологий, конструкций машин и технических
Плоды вяза обыкновенного яйцевидные, широкоэллиптической формы с размерами от 11 до 16 мм. В исходном ворохе находится около 50 % пустых бессемянных плодов. Поэтому плоды очищают и обескрыливают на семяочистительных машинах. Семя ясеня обыкновенного яйцевидной или треугольной формы длиной 4-5 и толщиной 2.5-3,0 мм. [93].
Плод-боб акации белой (робинии лжеакации) многосеменной, продолговато-линейной формы, снаружи голый и сильно сплюснутый. Плоды сгруппированы в кисти, имеют светло-коричневую до темно-бурой окраску [45]. Изнутри створки плодов-бобов серебристо-блестящие. Плод-боб содержит от 6 до 10 семян. Семена с трудом извлекаются из плодов-бобов и даже при механической обработке в измельченных створках остается от 4 до 7 % семян [84].
Плоды-бобы акации желтой имеют длину 35-60 и ширину 3,5-5,0 мм. линейно-цилиндрическую форму и содержат от 5 до 8 семян. Плоды-бобы висят на ветках кустарниках на длинных плодоножках, и созревая они сразу растрескиваются. Плоды собирают в июле перед растрескиванием. В начале с солнечной стороны, затем с затемненной [39]. Плод-боб желто-бурого цвета с гладкой глянцеватой поверхностью. Семена акации желтой имеют овальную или продолговато-почковидную форму. Их поверхность гладкая с оливковым глянцеватым блеском, поверхность кожуры водопроницаема и при намачивании семян за первые три часа они поглощают около 90 % воды.
Плоды-бобы гледичии обыкновенной (гледичии трехколючковой) многосемянные, удлиненно-ланцетной формы на деревьях размещаются по одному или в виде кистей. Плоды-бобы гледичии обыкновенной кожистые, плоско-изогнутые с размерами: длинной 20-45 иногда (для Краснодарского края) 50-60 см. и даже более, шириной от 4 до 7 см. Процесс извлечения семян из плодов-бобов до настоящего времени практически не механизирован [70]. Плоды-бобы необходимо разделять на части.
Проведенный анализ работ по исследованиям физико-механических свойств семян лиственных пород: клена остролистного, ясеня обыкновенного, вяза обыкновенного и плодов-бобов стручковых пород: акации белой, акации желтой и гледичии обыкновенной показывает, что необходимо отметить работы Л.Т. Свиридова [79, 82, 85], в которых автор дает внешние их характеристики, такие как: форма, цвет, состояние поверхности плода, наличие и расположение семян в плодах, а также другие характеристики: размер, значения массы 1000 семян с крылатками, обескрыленных, и плодов-бобов, объемная масса, плотность, соотношение массы и объема чистых семян и створок плодов (околоплодников) в исходном ворохе, углы естественных откосов для семян с крылатками, для плодов-бобов и без околоплодников, коэффициенты трения семян и плодов-бобов по разным поверхностях: резина, прорезиненная ткань, древесина, листовая сталь, стальная сетка. Так же автором представлены результаты проведенных исследования по усилиям излома плодов-бобов указанных пород в разных его частях (1/2, 1/4, 1/8). При этом автор указывает на высокую энергоемкость процесса разрушения плодов-бобов, его низкую механизацию и на необходимость и целесообразность их разрушения плодов-бобов и извлечения семян из околоплодников механическими устройствами, выполненными в виде конструкции с комбинированными рабочими органами, что ценно имеет большое значение для проведения нами дальнейших научных исследований.
Таким образом, анализ работ по исследованию физико-механических свойств лесных семян с крылатками: клена остролистного, ясеня обыкновенного, вяза обыкновенного и семян плодов-бобов: акации белой, акации желтой, гледичии обыкновенной показал, что научные исследования свойств семян указанных пород за предшествующий период времени велись в малых объемах, результаты имеют сильные отклонения. В основном в источниках литературы указываются данные о физических и механических свойствах плодов и семян пород, изученных около 30 лет назад. На основании вышеизложенного необходимо провести отдельные исследования по определению и некоторым уточнениям физических и механических свойств семян с крылатками: клена остролистного, ясеня обыкновенного, вяза обыкновенного и семян плодов-бобов: акации белой, акации желтой, гледичии обыкновенной, которые будут использованы при обосновании новой технологической схемы, конструкции, параметров и режимов работы шнеково-щеточного устройства.
Как было уже отмечено в подразделе 1.1, что процесс обработки лесных семян лиственных пород и извлечения их из плодов-бобов стручковых пород является достаточно трудоемким, сложным и практически не механизированным. Вместе с тем для этих целей использовали и до настоящего времени используют такие лесные семяочистительные машины цикличного действия: ОС-1, СУМ-1, МОС-1, МОС-1А, а также – непрерывного действия: ОВЛС-1, ОВЛС-2, ОР-2, МИС-1, МИС-3, МИС-3А [3, 4, 14, 67, 68]. Машины имеющие циклическую схему процесса обработки плодов-бобов малоэффективны по причине того, что не приспособлены удалять из рабочей зоны большую массу и особенно объем разрушенных створок плодов-бобов и прочие примеси, образовывающуюся в процессе обработки.
Машины непрерывного действия с наклонной (ОВЛС-1 и ОВЛС-2), горизонтальной (ОР-2) и вертикальной (МИС-1, МИС-3 и МИС-3А) осями вращения рабочих органов практически малоприменимы для извлечения лесных семян из плодов-бобов, по причине их невысокой технологичности и технического исполнения. А машины МИС-1, МИС-3 и МИС-3А, как более современные, тоже не лишены недостатков: происходит сильное травмирование металлическими зубовыми рабочими органами извлекаемых семян, практически не регулируется технологический процесс подачи исходных плодов-бобов в рабочую зону обработки и не обеспечивается в достаточной мере извлечение лесных семян из плодов (до 70 %) [84].
Все семяочистительные машины и технические средства для обескрыливания лесных семян и выделения их из плодов-бобов по типу рабочих органов можно разделить на: бильные, терочные и бильно-терочные (рис. 1.7). Обескрыливание и выделение семян в устройствах бильного типа происходит за счет многократного наносимых ударов по семенам с крылаткой, плодам-бобам, в результате чего крылатки отделяются, а околоплодники разрушаются и из них выделяются чистые семена.
В устройствах терочного типа для выделения и обескрыливания семян используются силы трения, которые возникают в зоне взаимодействия рабочих органов. Разрушение околоплодников и отделение крылаток в данных устройствах происходит в результате интенсивного перетирания рабочими органами плодов-бобов и семян с крылатками [42].
Выделение из околоплодников и обескрыливание семян в устройствах бильно-терочного типа происходит за счет комбинированного воздействия в виде множественно повторяющихся ударов по плодам и семенам, с крылатками, а также их перемалывания и перетирания при прохождении в пространстве между рабочими органами устройств [50].
Устройством бильного типа снабжены машины МИС-1 (рис. 1.8), МИС-3 и МИС-3А для извлечения семян и измельчения плодов-бобов древесных пород, которое состоит из двух барабанов, которые расположены вертикально. Наружный барабан неподвижен – 1, внутренний барабан вращающийся – 2.
Определение рабочей скорости шнеково-щеточного питателя в конической камере при обработке околоплодников
Центробежная сила увеличивается по мере приближения плода-боба к большему основанию. Поскольку имеется осевая скорость и скорость скольжения , направленная под углом к плоскости вращения, запишем , где – ускорение Кориолиса: (2.34) Вектор угловой скорости направлен перпендикулярно плоскости вращения – по оси , а угол между осью и скоростью скольжения равен , значит: (2.35) С учетом выражения (2.32) имеем: (2.36) (2.37) Представим каждую щетинку ерша как однородный цилиндр с изотропными свойствами материала (капрон и т.п.), имеющий длину и диаметр . Известна зависимость между переменной силой и наибольшей поперечной деформацией . Будем рассматривать каждую частичку как заданную с одной стороны балку со вторым свободным концом, на который действует консольная нагрузка . Тогда (2.38) где - модуль упругости первого рода материала щетины, [МПа] - величина справочная; - осевой момент инерции, [мм4] - для идеального круга, которым аппроксимируем форму поперечного сечения щетинки: (2.39) Значит, получив под действием внешних сил деформацию , щетинки будут развивать упругую силу: (2.40) Начало щетинки шнека располагается над опорной конической поверхностью бункера на некотором расстоянии , поэтому щетинки имеют предварительную деформацию (смещение):
Будем считать, что при движении в рабочем объеме бункера плод-боб под действием равнодействующей всех приложенных к нему внешних сил занимает положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, а именно – прижат к стенке бункера своими наибольшим поперечным размером.
Упругая линия щетинки при произвольной поперечной деформации занимает положение, которое в первом приближении можно рассматривать как участок дуги окружности с хордой АС (в предположении ее одинаковой жесткости по всей длине щетинки). При этом где – радиус кривизны щетины в деформированном состоянии (полагаем для простоты, что ); – центральный угол дуги. Заметим, что нам известны величины и . В общем случае при деформации упругая сила, развиваемая щетинкой, направлена так, что составляющая прижимает плод-боб к стенке бункера, а составляющая способствует сдвигу и ослаблению воздействия щетины на плод-боб, что нежелательно. В связи с этим рассмотрим частный (а именно наиболее благоприятный для осуществления технологического процесса) случай, представленный на рис. 2, . При упругая сила передается по нормали к плоскости, касательной к опорной поверхности бункера в точке расположения центра тяжести плода-боба.
Выражение (2.40) можно использовать при проектировании в качестве рекомендации по оптимальному соотношению конструктивных размеров бункера (с учетом размеров обрабатываемых плодов-бобов). При этом воздействие на последние в рабочем процессе будет наименьшим. Далее, очевидно . или . (2.42) Воспользовавшись выражениями (2.39) и (2.40), запишем: (2.43) Отметим, что на плод-боб одновременно воздействует много деформированных щетинок, число которых: (2.44) – густота расположения щетинок на шнеке ерша Значит (2.45) Таким образом, сила, дополнительно прижимающая плод-боб к стенке бункера: – прямо пропорциональна модулю упругости , длине – плода-боба и густоте щетины ; – значительное усиление степени воздействия щетинок достигается при увеличении их диаметра ; – сила обратно пропорциональна квадрату длины щетки (для оптимальных размерных соотношений – формула (2.40). Указанные рекомендации можно использовать при подборе материалов и геометрических параметров щетки активного шнека.
Определим теперь общую силу трения, действующую на плод-боб в коническом объеме бункера, величина которой определяет степень разрушения створок и выделения чистых семян. Очевидно: (2.46) где – динамический коэффициент трения плода-боба о бункер. Расписав составляющие, получим: (2.47) ( 2+ 60 +6 4 64 2. Как видно, сила трения переменна по оси и определяется конструктивными ( , кинематическими , фрикционными , упругими , а также размерными параметрами механизма и самих плодов-бобов. Увеличивающаяся прогрессивно (по мере роста ) в сочетании с возрастающим коэффициентом кинематического режима способствует частичному разрушению (истиранию) створок и выделению чистых семян.
Таким образом, полученное выражение (2.47) для определения силы трения, определяющая гарантированное разрушение створок плодов-бобов у большого основания бункера зависит от модуля упругости ( ), длины плода-боба ( ) и густоты щетинок ( (прямо пропорциональна), а также от конструктивных , кинематических , фрикционных , упругих , размерных параметров шнеково-щеточного устройства. Следовательно, полученное выражение (2.47) позволяет численным методом определять параметры и режимы работы шнеково-щеточного устройства.
1. Представленное обоснование технологической схемы и конструкции шнеково-щеточного устройства для обработки и извлечения лесных семян из околоплодников, на основе использования новых технических решений и изученных свойств семян, позволит значительно повысить эффективность технологического процесса.
2. Получено аналитическое выражение, позволяющее определять рабочую скорость шнеково-щеточного питателя в зависимости от шага шнека , частоты вращения , угла наклона образующей конической поверхности, фрикционных свойств семян и используемого материала. Оно позволяет численным методом рассчитать значение скорости и, тем самым, предварительно определять и устанавливать конструктивно-технологические параметры шнеково-щеточного питателя и конической камеры загрузочного бункера.
3. Получена теоретическая зависимость для расчета силы трения, определяющая гарантированное разрушение створок плодов-бобов у большого основания бункера, которая зависит от модуля упругости щеток , длины плода-боба и густоты щетинок (прямо пропорциональна), а также – конструктивных ( , кинематических , фрикционных , упругих и размерных параметров шнеково-щеточного устройства и, следовательно определять его параметры и режимы работы.
Методика определения размеров семян лиственных пород с крылатками, обескрыленных, плодов-бобов и без околоплодников
-14% – 412,0 сН, у ясеня обыкновенного она в 2-3 раза меньше 121,1 и 136 Прочность креплений крылаток к лесным семенам является одним из важнейших показателей при обосновании технологических схем семяочистительных машин и устройств для извлечения семян из плодов-бобов, а так же при обосновании их конструктивно-технологических параметров. В табл. 4.8 представлены результаты исследований прочности крепления крылаток к семенам лиственных пород: клена остролистного, ясеня обыкновенного, вяза обыкновенного, которые свидетельствуют о том, что прочность крепления крылаток к лесным семенам различных пород не одинакова: у клена остролистного при важности 7-9% она равна 224,6 сН, а при влажности 10сН соответственно и вяза обыкновенного она значительно меньше 6,70 и 8,01 сН соответственно. Установлено, что отделение крылаток от семян целесообразно производить при влажности 7-9 %, а процесс отделения должен быть комбинированным, т.е. ударное воздействие (излом крылатки) в сочетании с ее истиранием (шелушением).
Полученные данные свидетельствуют о том, что усилия излома плодов-бобов изменяются в значительных пределах не только в зависимости от породы, но и места излома. Для гледичии обыкновенной они составляют 772,6 сН – в середине плодов-бобов, 847,7 сН – на части стручка и 924,4 сН – на 1/8 части стручка, для акации белой соответственно 59,2, 72,8 и 87,7 сН для акции желтой 684,1 и 143,2 сН. Таблица 4.9 – Усилие излома для плодов гледичии обыкновенной, акации белой и акации желтой
Анализ полученных данных показывает, что процесс излома стручков является энергоемким и поэтому для улучшения извлечения семян из плодов-бобов, их необходимо подсушить до влажности 9-11 %, а для обработки различных плодов-бобов – иметь сменные рабочие органы различной жесткости.
По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. Размеры семян с крылатками лиственных пород: при удалении крылаток у лиственных пород происходит уменьшение их длины в 2-4 раза, ширины – в 1,5-2 раза и толщины – на 15-25 %, а размеры плодов-бобов в десятки раз превышают размеры семян.
2. Масса 1000 семян с крылатками лиственных пород на 15-40 % больше массы 1000 семян без крылаток, а для плодов-бобов эта разница в 4-10 раз больше. Это указывает на то, что в процессе удаления крылатки у семян лиственных пород улучшаются их технические свойства, что очень важно для дальнейшего высева, т.е. для лесохозяйственной практики, а также для оценки качества исходного материала, поступающего из различных регионов страны. Данные об объемных массах свидетельствуют о том, что удаление крылаток у семян лиственных пород приводят к значительному увеличению объемных масс семян без крылаток (в 2-4 раза), что необходимо для обоснования объемов и параметров загрузочно-шелушильных конических камер для удаления крылаток у лесных семян и извлечения семян из плодов-бобов стручковых пород.
3. Результаты исследований массовых коэффициентов, показывают что для лиственных пород: клена остролистного, ясеня обыкновенного и вяза обыкновенного они соответственно равны 80, 79 и 51, а для семян гледичии обыкновенной, акации белой, желтой – 50, 26 и 63. Данные об объемных коэффициентах у лиственных пород равны 0,33, 0,32 и 0,24, а для гледичии обыкновенной, акации белой и желтой соответственно – 0,03, 0,02 и 0,034, отсюда следует, что при обработке плодов-бобов необходимо удалять из рабочей зоны 97-98 % массы стручков плодов-бобов, и одновременно выделять чистые семена, а следовательно конструкции технических средств должны работать по непрерывной технологической схеме и иметь сепарирующие рабочие поверхности для выделения чистых семян.
4. Результаты исследований углов естественных откосов для семян с крылатками лиственных пород имеют значения от 37 до 50 и без крылаток от 26 до 51, плодов-бобов от 33 до 55, а чистых семян без околоплодников от 23 до 31. Чистые семена относятся к сыпучим, а семена с крылатками и плоды-бобы имеют пониженную сыпучесть. Плоды-бобы необходимо предварительно разрушать и измельчать специальными рабочими органами для повышения сыпучести семян. Углы естественного откоса семян с крылатками и плодов-бобов необходимы для определения углов наклона стенок загрузочных бункеров и других конструктивно-технологических параметров семяочистительных машин.
5. Коэффициенты трения по прорезиненной ткани и стальной сетке имеют большие значения, соответственно 0,86 и 0,70, поэтому в рабочих камерах семяочистительных машин их необходимо применять в качестве рабочих поверхностей. 6. Прочность крепления крылаток к семенам для клена остролистного, ясеня обыкновенного и вяза обыкновенного имеют различные величины и соответственно равны: 224,6, 121,1 и 6,7 сН при влажности 7-9 %, а при влажности 10-14 % – 412 сН, 136 и 8.01 сН. Установлено, что отделение крылаток от семян целесообразно проводить при влажности 7-9 %.
В соответствии с принятой методикой лабораторных испытаний определяли качественные и количественные (производительность кг. в пересчете на 1 час работы) показатели технологического процесса отделения крылаток у лесных семян и извлечения их из плодов-бобов.
Для определения рабочей скорости шнеково-щеточного устройства разработана программа для ЭВМ «Определение рабочей скорости шнеково-щеточного питателя». Программа для ЭВМ написана на языке программирования Puthon 2.7. Алгоритм проведения расчетов выглядит следующим образом.
Результаты испытаний лабораторной установки для отделения крылаток у лесных семян и извлечения их из околоплодников плодов-бобов
Конический шнеково-щеточный питатель состоит из вала – 11, щеточного шнека – 12, бильно-терочного устройства – 13 и радиальных щеточных элементов – 14, которые обламывают крылатки у лесных семян и извлекают семена из плодов-бобов. Рабочая камера, состоит из металлической бугорчатой поверхности – 15 и съемной сетчатой поверхности – 16. В торце загрузочного бункера у большого основания закреплены диск со штифтами, с помощью которого изменяют качество обработки лесных семян с крылатками и эффективность извлечения семян из околоплодников.
Усовершенствованное устройство для обработки и извлечения семян из околоплодников непрерывного действия позволяет значительно повысить эффективность технологического процесса обработки лесных семян, а так же выделения семян из плодов-бобов. Устройство за один цикл обеспечивает практически полное обескрыливание семян (91,6-94,8 %), выделение семян из околоплодников (96,5-97,9 %), снижается травмирование на 2-3 %, прирост производительности составляет более 17 %, по сравнению с базовым образцом машины. Данные показатели обусловлены тем, что процесс обработки семян происходит по непрерывной технологической схеме, а выделение семян в рабочей камере, через сетчатое днище обескрыливателя происходит последовательно и дифференцированно. В процессе исследования экономической эффективности использовались методики [58, 101], апробированные в [15, 21, 104]. Проведено сравнение экономических показателей усовершенствованного устройства с базовым вариантом машины для обескрыливания и выделения из плодов-бобов лесных семян А.с. № 1192723 СССР, МКИ3 А01 G23/00. Рассчитывали следующие показатели: норма выработки, цена устройства, эксплуатационные издержки, приходящиеся на единицу выполненной работы, трудоемкость и энергоемкость процесса обработки семян, а также учитывали качественные и количественные показатели (снижение травмирования и уменьшения потерь семян в отходы, производительность). В качестве основных исходных данных принимали: массу устройства, стоимость 1 кг металла, оптовую цену, производительность, минимальный годовой объем выработки, годовую занятость устройства и ряд других.
Основным показателем для проведения расчета определили общий годовой экономический эффект, который рассчитывали по выражению. , (5.1) где – годовой экономический эффект от снижения приведенных затрат (повышения производительности), где и сумма приведенных затрат на годовой объем выработки, соответственно его базовому и новому варианту; – годовой экономический эффект от повышения качества обработки (уменьшения потерь семян в отходы и снижения их травмирования), здесь – часть семян, не попадающих в отходы, вследствие повышения качества обработки семян и уменьшения их травмирования ( = 0,03 0,05), – средняя стоимость 1 кг чистых семян исследуемых пород (клен остролистный, ясень обыкновенный, вяз обыкновенный, акация белая, акация желтая, гледичия обыкновенная). ( = 2,5 тыс. руб.), – годовой объем выработки базового и нового устройства; = 100 кг – среднестатистическое значение для лесохозяйственных предприятий. Расчет приведенных затрат на годовой объем выработки проводили по формуле: (5.2) где – затраты на единицу выработки (100 кг обработанных семян), руб., И – прямые издержки эксплуатации на 100 кг обработанных семян, руб.; – удельные капиталовложения на 100 кг обработанных семян, руб./100 кг; – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, = 0,15 [55]. Для нашего расчета годовой объем выработки равен 100 кг, поэтому в выражении (5.2) можно не брать в учет, либо принять как величину, равную 1. Прямые издержки эксплуатации на 100 кг обработанных семян определяли из выражения , (5.3) где и – величина амортизационных отчислений на текущий ремонт и техническое обслуживание, соответственно, в пересчете на 100 кг, руб./100 кг; – сумма основной и дополнительной зарплат рабочего с начислениями на единицу работы, руб./кг; – затраты на электроэнергию в пересчете на 100 кг, руб./100 кг.