Введение к работе
Актуальность темы. За последние десятилетия значительно снизилось искусственное возобновление лесов, что приводит к сокращению лесопокрытых площадей лесного фонда и зарастанию древесной порослью малоценных пород (осина, ольха, береза и т. д.). После природных лесных пожаров 2010 года актуальнейшей задачей для центрально-черноземной зоны России стали лесовосстановительные работы по возобновлению хвойных насаждений. По данным Рослесхоза государство потеряло 1 млн. га леса, GREENPEACE оценивает потери в 3 млн. га.
Для технологий выращивания укрупненного посадочного материала в питомниках семена, подлежащие обработке, необходимо сортировать на фракции по плотности и размерным признакам (М. С. Метальников, 1970, П. С. Нартов, 1979, Ю. И. Полупарнев, 1979, Л. Т. Свиридов, 1979). Это требуется для раздельного высева фракций в питомниках и дальнейшего рационального использования. Известные семеочистительные машины и сортировальные устройства не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к качеству разделения на фракции семян хвойных пород, основным показателем которого является величина полноты выделения проходовой фракции (Ю. И. Полупарнев, 1988, Л. Т. Свиридов, 1988, С. С. Арутюнян, 2001, Э. Н. Бусарин, 2005).
Достаточно эффективны для разделения семян на фракции плоскорешетные сепараторы, но для достижения требуемого уровня качества сортирования необходимо применение нескольких решетных станов одновременно, механизма очистки решет или использование совместно с воздушноочистительной частью (ВЛС-1, СУМ-1, УМО-1). Однако, в результате такой обработки травмированные семена составляют в среднем 4…7 %. Использование технологического процесса, при котором рабочий орган сепаратора движется только в горизонтальной или в вертикальной плоскости (и соответственно также движется семенной материал), на практике не дает высоких результатов, что вынуждает проводить вторичную очистку, а это уже двойная нагрузка на семена, не отличающиеся высокими прочностными качествами (семена сосны, ели, лиственницы) (Р. Н. Матвеева, 2000 г.). Встает вопрос о разработке технологического процесса, способного дать высокую полноту выделения проходовой фракции без дополнительных нагрузок на семена и не снижающего уровень производительности известных семеочистительных машин, так как это отражается на энергоемкости процесса. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на повышение эффективности технологического процесса сортирования путем совершенствования конструкций семеочистительных машин и сортировальных устройств с рабочими органами в виде решет, является актуальной.
Работа выполнялась по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической среде в рамках Государственного контракта № 5972р/8144 от 31.03.2008 и по госбюджетной тематике Воронежской государственной лесотехнической академии «Совершенствование узлов и деталей машин и оборудования лесного комплекса» (рег. № 01.2.00105363).
Степень разработанности проблемы. Классическая теория зерноочистки, основу которой создали работы М. Н. Летошнева, В. П. Горячкина, И. Е Кожуховского, Н. М. Бушуева и др., направлена исключительно на область исследования сепарации зерен сельскохозяйственных культур. Поэтому применение ее в лесном хозяйстве требовало очень серьезной корректировки с учетом специфики лесного хозяйства и особенностей лесных семян. Весомый вклад в исследования очистки и сортирования лесных семян был сделан П. С. Нартовым, Ю. И. Полупарневым, Л. Т. Свиридовым, Ф. В. Пошарниковым, Д. В. Цыбаевым и др. Серьезное внимание на влияние подвесок решетного стана на производительность сепарации обратил В.С.Быков, но в его работах, посвященных обработке пшеницы, исследовалось влияние исключительно общей длины подвески. Применительно для сортирования лесных семян влияние подвесок изучалось Л. Т. Свиридовым и Э. Н. Бусариным, ими создана гибкая подвеска, позволяющая изменять длину подвески и угол наклона решетного стана. При этом на сам технологический процесс подвески не влияют. Таким образом, исследования влияния конструкций подвесок решетного стана на процесс сортирования находятся на начальном этапе своего развития.
Цель работы. Повышение эффективности технологического процесса сортирования семян хвойных пород на плоскорешетном сепараторе путем обоснования и совершенствования конструкции подвесок решетного стана.
Задачи исследований.
1. Разработать гипотезу, согласно которой периодическое подбрасывание семенного материала на полотне решета, совершающего возвратно-поступательное движение, будет способствовать повышению эффективности технологического процесса сортирования семян хвойных пород.
2. Получить аналитические зависимости для определения кинематических параметров решетного стана и семенного материала, учитывающие влияние всех конструктивно-установочных параметров усовершенствованных подвесок, и аналитические зависимости, описывающие влияние этих параметров на производительность плоскорешетного сепаратора.
3. Провести экспериментальные исследования сортирования семян сосны обыкновенной (Pinus silvestris) с усовершенствованными подвесками решетного стана и разработать математические модели процесса сортирования семян хвойных пород.
4. Определить оптимальные параметры работы плоскорешетного сепаратора с усовершенствованной конструкцией подвесок решетного стана.
Объект исследований. Технологический процесс сортирования семян хвойных пород на решетной установке с усовершенствованной конструкцией подвесок решетного стана.
Предмет исследования. Закономерности процесса движения решетного стана и семенного материала (на примере сосны обыкновенной – Pinus silvestris) по полотну решета с усовершенствованной конструкцией подвесок с учетом влияния всех конструктивно-установочных параметров подвесок.
Методологическую, теоретическую и эмпирическую базу исследований составляют: системный подход, метод выдвижения и проверки гипотезы, метод расчета экономической эффективности, методы и законы теоретической механики, физики, прикладной математики, методы физического моделирования. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики на персональном компьютере с использованием стандартных программ Excel Microsoft Office ХР, MATLAB 6.5 SP/7.0.
Научные положения, выносимые на защиту:
– усовершенствованный технологический процесс сортирования семян хвойных пород, создающий правильную ориентацию семян по отношению к отверстиям полотна решета за счет подбрасывания их при возвратно-поступательном движении решетного стана только в одном направлении;
– аналитические зависимости, описывающие процесс сортирования семян хвойных пород, учитывающие влияние конструктивно-установочных параметров усовершенствованных подвесок решетного стана;
– обоснованные параметры предложенного технологического процесса, обеспечивающие наибольшую эффективность сортирования;
– математические модели процесса сортирования семян хвойных пород, позволяющие определить полноту выделения проходовой фракции.
Научная новизна результатов исследований:
– предложен и обоснован технологический процесс сортирования семян хвойных пород, отличающийся созданием правильной ориентации семян по отношению к отверстиям полотна решета за счет подбрасывания их при возвратно-поступательном движении решетного стана только в одном направлении;
– получены аналитические зависимости, описывающие процесс сортирования семян хвойных пород, отличающиеся учетом влияния расстояния между упором и плоской пружиной и расстояния между упором и решетным станом на кинематические параметры рабочего органа, семенного материала и на производительность плоскорешетного сепаратора;
– обоснованы параметры предложенного технологического процесса, обеспечивающие наибольшую эффективность сортирования, отличающиеся использованием усовершенствованных подвесок решетного стана, новизна которых защищена патентами на изобретения РФ № 2363553, № 2372998 и патентами на полезные модели РФ № 78445, № 84746;
– получены математические модели процесса сортирования семян хвойных пород, позволяющие определить полноту выделения проходовой фракции, отличающиеся учетом совместного влияния конструктивно-установочных параметров усовершенствованных подвесок, удельной нагрузки и частоты колебаний решетного стана.
Теоретическая значимость. Полученный аналитический аппарат, позволяющий определять кинематические параметры решетного стана, семенного материала и производительность плоского решета с учетом влияния конструктивно-установочных параметров усовершенствованных подвесок, расширил и дополнил теоретическую базу расчета сепараторов с плоскими решетами. Полученные математические модели процесса сортирования семян хвойных пород для определения полноты выделения проходовой фракции позволяют обосновать параметры работы плоскорешетного сепаратора, обеспечивающие наибольшую эффективность фракционирования.
Практическая значимость. Результаты научных исследований позволяют на стадии проектирования семеочистительных машин и сортировальных устройств обосновывать параметры подвесок решетного стана, повышая эффективность процесса сортирования семян хвойных пород; рекомендации по конструктивно-установочным параметрам подвесок и работы плоскорешетного сепаратора использовать на производстве. Полученные алгоритмы, компьютерные программы, математические модели позволяют проводить расчеты основных параметров процесса сортирования, реализовывая основные требования к качеству этого процесса.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры деталей машин и инженерной графики ГОУ ВПО «ВГЛТА» (2007 – 2010 г.г.), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО «ВГЛТА» (2007 – 2010 г.г.), международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию лесоинженерного факультета ГОУ ВПО «ВГЛТА» (Воронеж, 2009 г.), 3-й и 5-й международных научно-практических интернет-конференциях «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2010 г.). Результаты исследований отмечены Дипломом II Всероссийской научной интернет-конференции «Научное творчество XXI века» с международным участием за высокий научный уровень доклада (Красноярск, 2010 г.).
Конструкции подвесок решетного стана внедрены в ОГУ «Задонский лесхоз», в Семилукском филиале ОГУ «Лесная охрана» Семилукское лесничество, в Учебно-опытном лесхозе ГОУ ВПО «ВГЛТА»; результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Механизация лесного хозяйства и проектирования машин» ГОУ ВПО «ВГЛТА».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 24 работы, 5 из которых без соавторов, общим объемом 7 п. л. (авторских – 5,5 п. л.), в том числе: 2 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК; 2 Патента на изобретения и 2 Патента на полезные модели; 5 докладов на международных конференциях; 2 депонированные статьи.
Структура и объем диссертации. Основной объем работы составляет 132 страницы машинописного текста. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, библиографического списка, содержащего 142 наименования, в том числе 13 на иностранных языках, 7 приложений, в которые входят компьютерные программы и результаты расчетов, сведения о результатах экспериментов, копии патентов, копии информационных листков, копии актов внедрения разработки, диплом, 63 рисунков, 36 таблиц.
