Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Значение операции сортирования 8
1.2 Сортирование клубней картофеля по размерным признакам 11
1.3 Классификация признаков и устройств для разделения клубней на фракции 18
1.4 Обзор существующих конструкций барабанных сортировок для картофеля 23
1.5 Выводы, цель и задачи исследований 30
2 Теоретическое обоснование параметров и режима движения рабочих органов 33
2.1 Разработка конструктивно-технологической схемы сортировки с радиальной загрузкой 33
2.2 Обоснование угла схода клубней с лопасти загрузочного ротора 37
2.3 Движение клубней по внешней поверхности вращающегося барабана 45
2.4 Движение клубней по внутренней поверхности вращающегося барабана 53
2.5 Выводы по второй главе 60
3 Программа и методика экспериментальных исследований сортирующего рабочего органа 62
3.1 Программа экспериментальных исследований 62
3.2 Методика экспериментальных исследований 62
3.2.1 Определение размерно-массовых характеристик клубней картофеля 62
3.2.2 Объект исследования 63
3.2.3 Выбор оценочного критерия и управляемых факторов, влияющих на процесс сортирования картофеля 64
3.2.4 Планирование и методика проведения опытов 68
3.2.5 Методика математической обработки результатов исследований 71
4 Результаты экспериментальных исследований 76
4.1 Статистические и размерно-массовые характеристики клубней, использованных при проведении экспериментальных исследований.. 76
4.2 Исследование влияния управляемых факторов на точность сортирования 77
4.3 Обработка результатов экспериментальных исследований 83
4.4 Результаты производственных испытаний роторно--винтового сортирующего устройства для картофеля 89
5 Экономическая эффективность использования роторно-винтовой сортировки для картофеля 92
Общие выводы 97
Список использованных источников 99
Приложения 111
- Обзор существующих конструкций барабанных сортировок для картофеля
- Обоснование угла схода клубней с лопасти загрузочного ротора
- Выбор оценочного критерия и управляемых факторов, влияющих на процесс сортирования картофеля
- Результаты производственных испытаний роторно--винтового сортирующего устройства для картофеля
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из трудоемких отраслей сельского хозяйственного производства является овощеводство, как по Удмуртии, так и в целом по Российской Федерации. Картофель является основной овощной культурой. Значительные затраты труда приходятся на уборку и послеуборочную обработку картофеля. Их снижение возможно за счет использования машинных технологий уборки и сортирования картофеля с применением машин, отвечающих агротехническим требованиям. Использование устаревшего, изношенного и энергоемкого оборудования не эффективно, например, применение картофеле-сортировальных пунктов КСП-15Б с роликовой сортировкой, которая значительно повреждает клубни картофеля, приводит к снижению рентабельности производства. В связи с этим создание более эффективных, надежных и экономичных машин и совершенствование их параметров является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является обоснование параметров и режима работы сортировки клубней картофеля роторно-винтового типа путём совершенствования сортировального устройства роторного типа.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи исследования:
разработать модель сортировки роторно-винтового типа с возможностью регулирования управляемыми факторами процесса сортирования;
теоретически обосновать условия взаимодействия клубня с рабочим органом, позволяющих исключить повреждения клубней или свести их к минимуму;
выявить зависимости параметра оптимизации от существенных факторов процесса сортирования и режима работы роторно-винтовой сортировки;
проверить эффективность работы роторно-винтовой сортировки для картофеля в производственных условиях;
обосновать технико-экономическую целесообразность использования роторно-винтовой сортировки картофеля.
Объект исследования. Технологический процесс сортирования клубней картофеля роторно-винтовым устройством.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на методах математического и механического моделирования взаимодействия клубней картофеля с роторно-винтовым сортирующим устройством в процессе их движения. Проведены многофакторные эксперименты на клубнях картофеля, по которым изучено совместное влияние факторов на точность сортирования картофеля. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные методики с применением физического и математического моделирования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
конструктивно-технологическая схема сортировки клубней картофеля роторно-винтового типа;
аналитические зависимости, позволяющие обосновать условия движения клубней картофеля;
- оптимальные значения параметров и режима работы роторно-винтовой
сортировки для картофеля;
результаты эффективности работы роторно-винтового устройства в производственных условиях;
технико-экономические показатели использования роторно-винтового устройства.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована конструктивно-технологическая схема роторно-винтового устройства сортирующего картофель. Новизна технического решения защищена патентом РФ №2341951;
установлены аналитические зависимости, установлена связь между технологическими параметрами сортирующего устройства и режимом функционирования подающего рабочего органа (ротора-питателя);
получена математическая модель процесса сортирования по качественному параметру оптимизации (точность сортирования);
- определены рациональные параметры и режимы работы роторно-
винтовой сортировки для картофеля, обеспечивающие рациональную точность
сортирования при сравнительно короткой длине барабана и при снижении
энергоемкости процесса.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследования. Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы позволяют обосновать основные конструктивные параметры роторно-винтового сортирующего устройства для картофеля, которые могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями.
Результаты исследования внедрены в технологический процесс возделывания картофеля ЗАО «РосЕвроплант» Завьяловского района Удмуртской Республики (УР).
Апробация работы. Основные аспекты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
-на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГОУ ВПО «Ижевской ГСХА» в 2007-2010 гг.;
на 11 этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений по Приволжскому федеральному округу, г. Казань 2008 г.;
на республиканском конкурсе «Молодой изобретатель Удмуртской Республики», 2010 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе одна из них в издании рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение № 2341951 «Роторно-винтовое устройство для разделения корнеклубнеплодов и фруктов на фракции».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного машинописного текста, содержит 23 рисунка, 13 таблиц и 8 приложений. Список литературы включает 129 наименования.
Обзор существующих конструкций барабанных сортировок для картофеля
Устройство для очистки и разделения клубней на фракции содержит стойки 1 и 2, на которых смонтирован барабан 3. Барабан 3 выполнен, например, из трех отдельных секций 4, 5 и 6, каждая из которых состоит из набора колец 7. Между секциями установлены кольца 8, которые отделяют секции одну от другой. Кольца 7 ступицами 9 посажены на вал 10, который на этих участках имеет отличное от круга поперечное сечение, например, квадратное.
Ступицы 11 отделяющих колец 8 выполнены с резьбой и установлены на участках вала 10, на которых также выполнена резьба. Между кольцами 7 и 8 установлены распорные пружины 12, которые разделяют кольца между собой. К стойке 1 жестко прикреплен кожух 13, который предотвращает выпадение клубней.
В состав установки входит загрузочный бункер 14 и выгрузной лоток 15. Зазор 16 между кольцами в первой, со стороны загрузочного лотка, секции 4 меньше, чем зазор 17 между аналогичными кольцами в следующей секции 5, а зазор 18 в секции 6 больше, чем зазор 17. Под барабаном 3 по количеству секций установлены выгрузные транспортеры 19, 20 и 21, с помощью которых отводятся примеси, или транспортируются клубни картофеля соответствующей фракции. Механизм привода барабана 3 выполнен в виде мотор-редуктора 22. При работе устройства в каждой секции 4, 5 и 6, вращением кольца 8, устанавливают зазор, соответствующий размерам клубней каждой фракции. При этом в первой секции 4 устанавливают зазор для прохода мелких клубней. Соответственно в секции 5 отделяется средние и в секции 6 крупные клубни картофеля. Каждая фракция поступает соответственно на транспортеры 19, 20, 21 и транспортируется ими.
Устройство имеет ряд недостатков: способ продвижения продукта внутри рабочего органа; высокая вероятность повреждений клубней картофеля, особенно самой ценной - крупной фракции, так как она отделяется в последнюю очередь, применение в конструкции спиц также повышает повреждаемость клубней; невысокий процент использования рабочей поверхности, так как она состоит из колец, что, безусловно, снижает эффективность работы установки.
Частично эти недостатки устранены в следующей конструкции, показанной на рисунке 1.7. Это также барабанный сепаратор, рабочий орган которого установлен наклонно [1].
1,2,3-баллоны; 4-цилиндрическое решето; 5,6,7,8-бункеры; 9-транспортёр; 10-загрузочный бункер; 11-электродвигатель; 12,13,14-баллоны с пальчиковой поверхностью
Сепарирующее устройство для корнеклубнеплодов содержит верхние баллоны 2 и 3, установленные над баллоном 1. Все баллоны выполнены с цилиндрической пальчиковой поверхностью и расположены у загрузочного бункера, с образованием лотка из баллонов. Клубни с примесями подаются транспортером 9 в загрузочный бункер 10, из которого попадают на поверхность образованную баллонами. Вследствие их наклона и вращения клубни попадают в зону наибольшего сближения баллонов, которыми и захватываются. Упавшие на решетку примеси частично проваливаются и продавливаются пальцами баллона, попадая в бункер 5. Очищенные клубни продолжают перемещаться по решетке до попадания в соответствующие по размеру ячеи для мелких, средних и крупных клубней и попадают в бункеры соответственно 6, 7 и 8.
Цилиндрическое решето 4 вращается посредством электродвигателя 11. Баллоны с пальчиковой поверхностью 12, 13 и 14 используются для очистки забивающихся отверстий.
Обоснование угла схода клубней с лопасти загрузочного ротора
Основываясь на результатах обзора патентной литературы и анализа научно-технической литературы, для создания макетного образца выбираем механизм барабанной сортировки, работающей по схеме параллельного разделения фракций. Схема предлагаемой установки защищена патентом РФ (приложение А) [92]; она приведена на рисунке 2.1.
Сортирующая поверхность делит клубни на две фракции - "проход" и "сход. Сортирование происходит следующим образом - мелкие и средние клубни в смеси идут в "проход", крупные сходит с поверхности [92].
Основу сортирующего барабана составляют боковины в виде сплошных дисков 1 и 2, закрепленных на оси 3, которые соединяются между собой спаренными параллельными стержнями 4. К стержням 4 с помощью хомутиков 5 прикреплены витки поливинилхлоридной трубки 6 навитой по винтовой линии на эти стержни с переменным шагом. Шаг между витками регулируется перемещением хомутиков 5 вдоль спаренных стержней 4. В зоне подачи продукта разделения зазор между витками устанавливается с учетом прохода фракции среднего и мелкого размера во внутреннюю поверхностью барабана, а на остальной его части - с учетом возможности разделения средней и мелкой фракции.
При выборе материала для изготовления барабана учитывали: его стоимость, повреждаемость клубней рабочим органом, форму сортирующих отверстий и коэффициент использования рабочей поверхности. Исходя из вышеперечисленного, в качестве материала для изготовления барабана приняли поливинплхлоридную трубку. Рисунок 2.1 - Схема роторно-винтового устройства для разделения клубней с радиальной загрузкой:
1,2- диски; 3 - ось; 4 - стержень; 5 - хомут; б - трубка; 7 - поясок; 8 - ориентирующий лоток; 9, 10 - кольца; 11 - лопасть; 12 - трос; 13 - спица; 14 - лоток; 15 - щит; 16- П-образный лоток; 17, 18 - щиты; 19-лоток для крупных клубней; 20-лоток для средних клубней; 21 - лоток для мелких клубней; 22 - электродвигатель; 23-редуктор; 24 - цепь; 25, 26 - звёздочки; 27, 28, 29 - шкивы; 30 - карданный вал; 31- загрузочный транспортёр; 32,33- ремни Концентрично окружности сортирующего барабана, в зоне отделения крупной фракции на общей оси 3 установлен подъемный ротор, состоящий из колец 9 и 10, между которыми с необходимым интервалом размещены лопасти 11 прямоугольной формы, к боковым и наружным кромкам которых прикреплены витки тонкого стального троса 12, образующих решетчатую поверхность. Переднее кольцо 9 ротора соединяется с передним диском 1 барабана с помощью трубчатых спиц 13. Общий вид лабораторной установки приведён на рисунке 2.2.
В зоне отделения крупной фракции внутри барабана имеется неподвижный лоток, наклонно подвешенный на ось вращения 14. В зоне отделения крупной фракции имеются защитные щитки 17 и 18, которые в сочетании с лотком 16 образуют приемную камеру. На барабан движение от электродвигателя 22 передается цепью 23 через звездочки [92].
Устройство работает следующим образом. Клубни картофеля на подъемный ротор подаются спереди либо вручную с помощью, каких либо инструментов (лопаты, вил, и т.д.), либо с транспортера-питателя (бункера) 31.
Подъемный ротор захватывает клубни лопастями 11 и увлекает их в круговое движение вверх. Преждевременное выпадение клубней при этом предотвращается направляющим щитком 15. С лопастей 11 подъемного ротора клубни по лотку 16 сходят в приемную камеру, образованную лотком 16, боковыми защитными щитками 17 и 18 и винтовой поверхностью барабана.
Доза подачи клубней должна быть такой, чтобы в приемной камере скапливалось некоторое количество клубней. В этих условиях клубни находятся в непрерывном движении и ориентируются вдоль винтовой щели, вследствие чего клубни мелкой и средней величины, имеющие размеры меньше зазора между витками проходят во внутрь барабана. Крупная фракция остается на поверхности барабана и переносится на скатный лоток 19.
По мере движения по поверхности наклонного лотка, подвешенного на ось 3 вращения, масса клубней поступает на винтовую поверхность с уменьшенным зазором (просветом) между витками. При этом при неоднократном подъеме и опускании клубни ориентируются вдоль кольцевых щелей. Мелкие клубни проваливаются через зазоры между витками и поступают на скатной лоток 21, а клубни средних размеров сходят с конца винтовой поверхности на лоток 20
Предлагаемое устройство обладает следующими достоинствами:
1. Крупные клубни отделяются вначале технологического пути, в результате чего они меньше повреждаются, а производительность сортировки увеличивается.
2. Сортирующие отверстия размещены по направлению движения компонентов обрабатываемого вороха, в результате повышается точность сортирования при сравнительно короткой длине барабана.
3. Барабан и ротор приводится от одного мотор-редуктора.
Выбор оценочного критерия и управляемых факторов, влияющих на процесс сортирования картофеля
Целью исследований является проверка разделения компонентов вороха картофеля на фракции и определение оптимальных режимов работы барабанной сортировки с радиальной загрузкой клубней, работающей по параллельному принципу.
Программа включает проведение лабораторных исследований [32, 71]. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- разработать и изготовить образец барабанной роторно-винтовой сортировки с радиальной загрузкой;
- определить размерно-массовые характеристики клубней картофеля;
- изучить влияние параметров и режима работы барабанной роторно- винтовой сортировки на характер движения клубней и коэффициент точности сортирования клубней картофеля;
- выявить параметры и режимы работы сортировки, оказывающие наибольшее влияние на точность сортирования; получить математическую модель процесса сортирования.
3.2 Методика экспериментальных исследований
3.2.1 Определение размерно-массовых характеристик клубней картофеля
Рабочий процесс сортировки любого типа основан на просеивании сквозь сепарирующие отверстия клубней картофеля, размер которых меньше размера отверстий. Поэтому исследование машин начинается с изучения размерно- массовых характеристик клубней, подлежащих разделению на фракции в процессе технологической обработки [104].
Для обоснования величины сортирующих отверстий необходимо определить численные значения статистических характеристик клубней разных фракций. С этой целью в ЗАО «РосЕвроплант», были взяты 3 пробы не сортированного картофеля, сорта «Розалинд». Не отсортированные клубни картофеля, взятые с различных учетных площадок (разных мест хранилища), перемешивают и отбирают пробу для установления размеров и веса клубней. У каждого из клубней определяют длину, ширину (с!тах) и толщину (с!т;п) и массу. По массе клубни распределяют по группам от 25 до 50 г; свыше 50 до 80 г и свыше 80 г, результаты заносили в таблицу и обрабатывали методами математической статистики. Для определения по требованиям ОСТ 10.8.5-87 используются весы и штангенциркуль [87]. Каждый клубень пробы взвешивается с точностью до 1 г и измеряется его длина, ширина и толщина с точностью до 1 мм.
При этом для клубней всех фракций и каждого линейного размера определяется средняя арифметическая величина, среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации. По данным, полученным в результате обработки размерно-массовых характеристик компонентов вороха картофеля, определяется коэффициент формы клубней и процентное содержание крупных, средних и мелких клубней в ворохе картофеля.
3.2.2 Объект исследований
Объектом исследований является процесс работы барабанной сортировки с радиальной загрузкой вороха. Схема установки представлена на рисунке 2.1.
В состав установки входит: приемный лоток, изменяя угол наклона которого и количество клубней на нем меняем подпор вороха картофеля на барабан; барабана с кольцевыми щелями; подъёмного ротора для подачи материала на сортирующий рабочий орган. Ротор приводится в движение от электродвигателя и редуктора посредством цепной передачи. Частота вращения барабана регулируется за счет автотрансформатора. Подшипниковые опоры барабана жестко связаны с рамой установки, которая имеет возможность, наклонятся по отношению к горизонту. Тем самым меняется угол наклона барабана.
Сортировка изготовлена по схеме, обеспечивающей параллельный принцип разделения фракций. При работе устройства ворох картофеля с приемного лотка поступает на внешнюю поверхность барабана, при этом материал разделяется на две фракции: сход и проход-. Крупные клубни идут в сход, а мелкие и средние проваливаются внутрь барабана. При движении в барабане средние клубни идут на сход, а мелкие проходит сквозь ячейки сепарирующей поверхности. Отсортированные клубни картофеля поступают в приемные контейнеры.
Результаты производственных испытаний роторно--винтового сортирующего устройства для картофеля
Анализируя рисунок 4.2, замечаем, что между производительностью установки и точностью сортирования существует квадратичная зависимость. При малой подаче вороха напор клубней на рабочий орган низкий, в результате чего крупные клубни, толщина которых меньше ширины сортирующих отверстий многократно пытаются отделиться от средних и мелких клубней, но в результате проваливаются внутрь барабана. При увеличении подачи происходит возрастание точности сортирования за счет того что крупные клубни, независимо от их толщины, уже не проваливаются в барабан. Дальнейшее увеличение производительности снижает точность сортирования, так как средние клубни не успевают ориентироваться должным образом и поступают в лоток для крупных клубней. С увеличением угла подачи вороха на барабан крутизна графиков приведенных на рисунке 4.2 увеличивается, а оптимальное значение производительности уменьшается. Это объясняется тем, что возрастание угла подачи вороха приводит к увеличению ошибок ориентирования клубней в отверстия при постоянной подаче вороха в загрузочный лоток.
По графикам, приведенным на рисунке 4.3 видно, что между точностью сортирования и углом наклона барабана зависимость также квадратичная. При малом угле установки, подачи вороха на барабан точность сортирования, как правило, меньше оптимальной, так как крупные клубни в приемной камере находятся в непрерывном движении, следовательно, клубни большее время проводят как в приёмной камере, так и в самом барабане. Непрерывное движение клубней объясняется тем, что критический угол статического равновесия клубня находящегося на наружной поверхности барабана больше угла отклонения центра масс клубня от вертикали при загрузке на рабочий орган, вследствие этого крупные клубни многократно скатываются по наружной поверхности барабана, обратно в загрузочный лоток. При большем угле установки подача вороха в барабан точность ниже максимальной, так как увеличивается количество ошибок ориентирования клубней и сдвиганию массы вороха к одному из бортов приёмного ротора. меньших оборотах и меньшей подаче (как и при малом угле) точность сортирования увеличиваются, а так же при большей подаче и большем угле точность сортирования уменьшается. Это объясняется тем, что клубни картофеля быстрее ориентируются в сортирующие отверстия, а так же быстрее проходят сортирующий барабан.
Характер изменения точности сортирования во всех интервалах изменения управляемых факторов показывает, что эксперимент проводился в области близкой к оптимальной. Данный вывод подтверждает правильность теоретических исследований.
4.3 Обработка результатов экспериментальных исследований
Обработка опытных данных проводилась по не композиционному трехуровневому плану Бокса-Бенкина по методике, изложенной в третьей главе данной работы [8, 81, 119]. Для определения возможности проведения регрессивного анализа рассчитывали, используя данные, приведенные в приложении В и таблице 4.2, однородность дисперсии параллельных опытов по критерию Кохрена, при этом имеем Gp=0,2777. Расчетное значение критерия Кохрена Gp сравниваем с табличным Охабл, для степени свободы числителя fi=r-l=2 и знаменателя f2=N=15 при выбранном уровне значимости а=0,05, получим GTa6n 0,3346. Видим, что GTa6JT Gp следовательно гипотеза об
однородности дисперсии воспроизводимости опытов принимается. Отсюда дисперсия воспроизводимости Sy =1,2192, тогда ошибка эксперимента Sy= 1,1042.
Расчет коэффициентов регрессии осуществляется при помощи программы "Statgraphics Plus,\ В результате расчета коэффициентов получена математическая модель в закодированном виде, связывающая влияние трёх факторов на точность разделения клубней картофеля на фракции роторно- винтового устройства при их радиальной загрузке.
