Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1 Характеристика ореха черного 7
1.2 Влияние степени очистки ореха черного от перикарпа (околоплодника) на его всхожесть 20
1.3 Анализ существующих технологий и конструкций машин для очистки ореха черного от перикарпа (околоплодника) 26
2. Теоретические предпосылки обоснования параметров и режима работы устройства для очистки ореха черного от его околоплодника 36
2.1 Основные допущения механической модели зернистого сыпучего тела (ореха черного) 36
2.2 Определение формы образующей стенки емкости бункера-дозатора наибольшей расходной характеристики 39
2.3 Статически устойчивые своды и их влияние на расходные характеристики бункеров- дозаторов щелевого типа 45
2.4 Влияние скважности зернистого сыпучего тела (ореха черного) на его расходные характеристики из бункера-дозатора 59
2.5 Пропускная способность очищающего устройства 62
2.6 Определение закономерности очистки ореха черного устройством 65
2.7 Мощность, затрачиваемая устройством на очистку ореха черного от его внешней оболочки (околоплодника) 68
Выводы по главе 71
3. Экспериментальные исследования 73
3.1 Цель и общая программа исследований 73
3.2 Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований 74
3.3 Частные методики проведения экспериментальных исследований 88
3.4 Обработка данных экспериментальных исследований 94
4. Результаты исследований и их анализ 97
4.1 Физико- механические свойства ореха черного 97
4.2 О рациональной форме образующей стенки емкости бункера-дозатора наибольшей производительности 100
4.3 Влияние физико-механических свойств зернистого сыпучего материала (ореха черного) на величину наибольшего сводообразующего размера выпускного отверстия
бункера-дозатора 103
4.4 Влияние наибольшего сводообразующего размера выпускного отверстия бункера- дозатора на его расходные характеристики 111
4.5 Влияние скважности ореха черного в бункере - дозаторе на его расходные характеристики 114
4.6 Пропускная способность очищающего устройства и потребляемая им мощность 117
4.7 Методика инженерного расчета параметров и режима работы очищающего устройства ореха черного от его околоплодника (перикарпа) 124
Выводы по главе 125
5. Экономическое обоснование эффективности практического использования результатов исследований 126
5.1 Расчет капитальных вложений 128
5.2 Расчет технико-экономических показателей 130
5.3 Эксплуатационные затраты 131
5.4 Определение годовой экономии 134
5.5 Оценка эффективности капиталовложений 134
Общие выводы 138
Список использованной литературы 139
Приложения 149
- Характеристика ореха черного
- Основные допущения механической модели зернистого сыпучего тела (ореха черного)
- Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
- Физико- механические свойства ореха черного
- Расчет капитальных вложений
Введение к работе
Актуальность темы: Большой урон сельскохозяйственному производству наносят засухи, суховеи, эрозия, дефляция почв. Для борьбы с этими неблагоприятными природными явлениями создают защитные лесные насаждения, где орех черный является одной из главных пород.
Несмотря на то, что орех черный сравнительно давно выращивают в России (около 60 лет), однако посадок с участием данной культуры мало. Это, в первую очередь, связано с трудоемкостью предпосадочной подготовки семенного материала, сложностью агротехнических уходов, несовершенством технологии выращивания сеянцев и недостаточным количеством посадочного материала.
Предпосевная подготовка семян к посеву сводится к очистке семян от перикарпа (экзо- и мезокарпии, в которые заключена суховатая костянка) и холодной стратификации. Двухприемность технологии обусловлена содержанием в околоплоднике и самом семени физиологически активных веществ, препятствующих прорастанию костянок. В свою очередь, по причине отсутствия средств механизации, очистка семян от перикарпа осуществляется вручную, что увеличивает трудоемкость работ и себестоимость выращивания сеянцев. Кроме того, дубильные вещества «Юглон» содержащиеся в околоплоднике вызывают безболезненное обугливание кожного покрова. Применяемые средства индивидуальной защиты не препятствуют подвижным формам дубильного вещества проникать даже через тройной слой медицинских перчаток. Совокупность вышеизложенного актуализирует существование проблемы предпосевной подготовки семян и целесообразности создания устройства механического типа для очистки костянок ореха черного от перикарпа.
Диссертационная работа выполнялась в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГОУ ВПО
НГМА) по теме: «Обоснование параметров и режима работы устройства для очистки ореха черного от перикарпа». Работа выполнялась в соответствии с планом бюджетной НИР академии.
Цель работы - обоснование параметров и режима работы установки для очистки костянок ореха черного от перикарпа.
Объект исследования - технологический процесс очистки костянок ореха черного от его перикарпа.
Предмет исследования - определение взаимосвязей между факторами, влияющими на процесс очистки костянок ореха черного от перикарпа.
Научная новизна - получены аналитические зависимости, позволяющие определить основные кинематические и динамические параметры функционирования технического устройства для очистки костянок ореха черного от перикарпа.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором: разработаны аналитические зависимости с учетом упругих свойств перикарпа ореха черного; получены функциональные зависимости взаимосвязи свойств перикарпа с конструктивными параметрами бункера-дозатора, а также с кинематическими и динамическими параметрами очищающего устройства; разработана методика и алгоритм инженерного расчета технического средства для очистки костянок ореха черного от перикарпа. Научная и практическая значимость работы состоит в том, что рассмотрены процессы подачи (дозирования) ореха черного из бункера-дозатора в устройство для очистки и самой очистки его в устройстве.
На защиту выносятся следующие научно обоснованные результаты: - механическая модель совокупности ореха черного; - теоретические предпосылки процесса очистки ореха черного от перикарпа; - методика инженерного расчета устройства для очистки костянок ореха черного от перикарпа.
Методы исследований. При выполнении исследований использованы элементы математической статистики, теории вероятностей, теоретической механики, механики сыпучих тел, планирования однофакторного эксперимента и обработки его результатов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических и практических конференциях в СтГАУ (Ставрополь, 2003), НГМА (Новочеркасск 2003, 2004, 2005), РИПКК АПК (Зерноград, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Внедрение. Результаты НИР нашли отражение в производственной деятельности ФГУ «Шахтинский лесхоз» и ФГУ «Учлесхоз» Донское», а также в учебном процессе по дисциплине «Машины и механизмы».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой главе, списка литературы, который включает 111 источников, 3-х приложений, 59 рисунков, 9 таблиц.
Характеристика ореха черного
Дерево ореха черного относительно долговечно. По сведениям одних авторов например, (В.И. Добровольского, П.И. Клюшина) долговечность ореха черного (дерева) оценивается в пределах 200-300 лет, а другие, например, (А.В. Альбенский и А.Е. Дьяченко (1940) [1], Вакег F (1943), ФЛ. Щепотьев, Ф.А. Павленко (1985), П.Н. Алентьев (1988) [2]) отмечают, что отдельные экземпляры живут до 400 лет. В возрасте 150 лет дерево ореха достигает своей спелости.
Согласно данным Ф.Л. Щепотьева [101], родиной ореха черного является Северная Америка. Ареал орехоплодной культуры весьма обширный и проходит с севера на юг от южной части штата Миннесоты и Южной Дакоты через центральные части штатов Небраска, Канзаса до Оклахомы и Техаса. От Техаса на восток к Атлантическому океану линия произрастания ореха черного проходит через территории штатов Луизиана, Миссисипи, Алабана, Джорджия и Южная Каролина. Далее ареал проходит по побережью Атлантического океана до штата Массачусетс. От Массачусетса через штат Нью-Йорк захватывает юго-восточную часть озера Онтарио, штат Мичиган, южное побережье озера Гурон и проходит через штат Висконсин до штата Миннесота. В Канаде ареал обитания данной культуры - южная часть провинции Онтарио.
В США выведено много сортов ореха черного, которые в настоящее время выращиваются. Наиболее распространенными являются такие сорта как «Герней», «Генр», «Норрис», «Эдрос», «Мичиган».
По A.M. Собинову [84], впервые в Европу орех черный был завезен в 1629 году. Данная культура хорошо произрастает и в европейских странах, однако широкое распространение получила в западной Европе и в таких странах, как Германия, Болгария, Италия, Румыния, Чехия и Словакия и других странах.
А. Ганчев и Е.К. Прокопиев [20] отмечают, что в Болгарии орех черный в 60 лет достигает высотой 23 м и 44 см в диаметре, образует прямые ровные стволы и обильно плодоносит. В Италии распространена культура сортов ореха черного «Томас» и «Вандерслум».
Ареал ореха черного в нашей стране и странах СНГ проходит через следующие города: Талин - Рига - Вильнюс - Минск- Могилев - Орел-Воронеж - Волгоград.
В Литве в возрасте 70 лет дерево достигает высоты 18 м и 56 см в диаметре, но плоды созревают 1 раз в 6 лет только в теплые годы. Хорошо растет орех черный в Белоруссии. Как отмечает А.И. Красник [49], в 60 лет дерево достигает 18,5 м и имеет диаметр 48 см.
Культуры ореха черного выращивают и используют с Средней Азии. По данным В.М. Ровского [81], в условиях орошения к 23 годам высота деревьев составляет 18,5 м, а диаметр 27 см.
Широкое применение данная культура получила в Молдавии. Как отмечает Ю.Д. Гусев [6], это объясняется тем, что она оказалась более жаростойкой и засухоустойчивой по отношению к другим сортам орехоплодных. По данным Л.Н. Опрятной [69], в 45 летнем возрасте в условиях недостаточного увлажнения деревья достигают высоты 15 м и 30 см в диаметре.
Основные допущения механической модели зернистого сыпучего тела (ореха черного)
Исходя из того, что рассматриваемый в работе материал (орех черный с влажностью W=16—18 %) подчиняется закону Кулона, в основу теоретического решения задач положены основные допущения комбинированной механической модели дискретного сыпучего тела проф. А.В. Гячева - В.А. Богомягких [10], которые, кроме известных допущений бессводообразующей модели сыпучего тела проф. А.В. Гячева [26], включают допущения, позволяющие рассматривать процесс формирования и движения сыпучих тел в бункерах-дозаторах с точки зрения явления сводообразования, которое всегда присуще сыпучему материалу, и в частности, ореху черному, находящемуся в покое или движении в конкретных граничных условиях.
Эта модель представляет собой совокупность одинаковых по объему и массе шаровых частиц, несоизмеримых с размерами емкости бункера-дозатора и уложенных в ее объеме послойно с некоторым среднестатистическим углом укладки «/7», характеризующим, с одной стороны, плотность укладки частиц в объеме емкости бункера - дозатора «у» и, с другой стороны, их пористость (скважность) укладки «С».
Кроме того, модель предполагает, что движение ее реальных частиц (орехов) в их потоке происходит по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока. Орех, как частица, не является абсолютно твердым. Его оболочка обладает упругими свойствами, то есть, подвержена деформации при определенном давлении.
В указанной модели допущения о несоизмеримости размеров реальных частиц (орехов) с размерами емкости бункера-дозатора и их послойной укладки в ее объеме с некоторым среднестатистическим углом укладки позволяют рассматривать процессы дозирования и очистки ореха черного с точки зрения непрерывности их протекания; допущение о движении реальных частиц (орехов) по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока, позволяет рассматривать дискретный характер протекания этих процессов.
Модель также позволяет использовать при решении задач работы следующие предположения:
в процессе движения в граничных условиях среднестатистическая плотность «у», а также среднестатистическая скважность (пористость) «С» зернистого сыпучего тела не изменяются (ламинарность потока).
Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований
Целью экспериментальных исследований являлась проверка достоверности теоретических предпосылок и разработок по вопросу процесса очистки ореха черного от его перикарпа; выявление новых закономерностей процесса очистки ореха, а также определение основных его параметров.
В связи с этим, программой экспериментальных исследований предусматривалось выполнение следующего объема исследовательских работ: выбор типа и формы очищающего рабочего органа; определение влияния конструктивных параметров и режимов работы установки на ее энергетические показатели и физико-механические свойства ореха черного; установление рациональных параметров и режимов работы установки в зависимости от степени созревания плодов ореха черного; определение качества очистки ореха черного от перикарпа; проведение технико-экономической оценки результатов исследований.
Для физико -механической оценки плодов ореха черного определялось: степень измельчения (перикарпа) ореха черного; степень нарушения ядра (эндокарпа) ореха черного; плотность перикарпа ореха черного до и после обработки его в установке; усилие для разрушения эндокарпа после механического воздействия на него рабочим органом.
Для энергетической оценки установки определялось: частота вращения вала - ротора установки; крутящий момент на валу - роторе установки; тип, количество и схема расположения измельчающих рабочих органов на барабане установки; производительность установки; расход электроэнергии установкой.
Физико- механические свойства ореха черного
В результате экспериментальных исследований определены основные физико-механические свойства ореха черного (таблица 4.1).
Из таблицы следует, что для свежего (не подсушенного) ореха черного углы трения vj/, (р, (рпр, и угол естественного откоса 0, в среднем, на 8-9 % меньше аналогичных углов трения для ореха черного подсушенного. Обусловлено, это тем, что абсолютная шероховатость перикарпа (околоплодника) свежего ореха черного меньше, чем у ореха подсушенного, примерно на 9-Ю % . Эти данные получены при средней влажности ореха черного, равной 18 %.
Угол скольжения аи у ореха черного не подсушенного, в среднем, на 7 % больше, чем у подсушенного. Объясняется это, по-видимому, тем, что околоплодник ореха черного подсушенного, толщина которого, в среднем, составляет 5 мм, имеет упругие свойства (модуль упругости Е = 15000 Па), способствующие образованию на поверхности орехов контактных площадок, влияющих на траекторию движения ореха черного в граничных условиях (в условиях бункера-дозатора).
Плотность ореха черного и (свежего) и его насыпная плотность у на 9-12 % больше, чем у ореха черного подсушенного. Связано это с плотностью околоплодника, представляющего собой сплошную биологическую массу, плотность которой на 9-12 % больше плотности самого ореха.
В месте с тем, ц всегда больше у. Обусловлено это наличием скважности между орехами, находящимися в бункере-дозаторе. Последняя может достигать 50 % и зависит она от способа засыпки ореха черного в бункер-дозатор. Наименьшая скважность наблюдается при способе засыпки дождем (около 30 %), что существенно влияет на массовый расход ореха черного, поступающего в очищающее устройство.
Из таблицы также следует, что угол укладки (3 ореха черного в бункере зависит от способа засыпки его в бункер-дозатор. При способе засыпки «дождем» угол р стремится к 30 % (тетраэдральная укладка - самая плотная укладка), а при способе засыпки «струей» по центру бункера-дозатора к пирамидальной с углом р 10 . Масса ореха черного (свежего), в среднем на 20 % больше массы ореха черного подсушенного. Как ранее указывалось, это связано с плотностью околоплодника, плотность которого больше плотности воды, пример, в 1,5 раза. Модуль Юнга Е (модуль упругости) околоплодника ореха черного (свежего), примерно, в 5 раз больше модуля упругости ореха черного подсушенного [8] (Е = 3000 Па). Поэтому в дальнейших исследованиях модулем упругости ореха черного с подсушенным околоплодником можно пренебречь. Однако, в связи с тем, что любая партия орехов в производственных условиях, поступающая в очищающее устройство, имеет разную степень подсушенности околоплодника, целесообразно все расчеты производить по средним значениям модуля упругости Е.
Расчет капитальных вложений
Расчет экономической эффективности применения результатов исследования проводится на основании действующих методик, стандартов и нормативных документов с учетом среднегодового уровня инфляции [43].
При расчете экономической эффективности в качестве базы сравнения была принята установка для очистки ореха грецкого от околоплодника, разработанная механиком Бештаугорского лесхоза Ставропольского края Кочневым Т.Н.
При расчетах условия эксплуатации принимались идентичными, В обоих случаях предусматривалось использование базового и предлагаемого оборудования.
Основными показателями экономической оценки применения устройства являются, улучшение качества очистки ореха, а также годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД).
Сельскохозяйственные предприятия в настоящее время работают в условиях рыночной экономики и инфляции. Чистый дисконтированный доход определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу (году, кварталу, месяцу) или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами.
