Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Значение технологической операции сортирования 10
1.2 Калибрование клубней картофеля по размерным признакам 13
1.3 Классификация признаков и рабочих органов машин для разделения клубней картофеля на фракции 21
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 37
2. Теоретические исследования параметров и режимов движения рабочих органов дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля 40
2.1 Разработка конструкционно-технологической схемы сортировки 40
2.2 Условия движения клубня по решету 44
2.3 Движение клубня вдоль направляющих концентрических прутков 45
2.4 Определение условий транспортирования клубней по вращающемуся решету от центра к периферии 51
2.5 Выводы по второй главе 68
3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований калибрующего рабочего органа 70
3.1 Программа экспериментальных исследований 70
3.2 Методика экспериментальных исследований
3.2.1 Определение размерно-массовых характеристик клубней картофеля 71
3.2.2 Объект исследования, приборы и оборудование 72
3.2.3 Выбор критерия оптимизации и управляющих факторов 74
3.2.4 Планирование и методика проведения опытов з
3.2.5 Методика математической обработки опытных данных 83
4. Результаты экспериментальных исследований дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля 87
4.1 Статистическая и размерно-массовая характеристика клубней картофеля, использованная в экспериментальных исследованиях 87
4.2 Влияния частоты вращения дисковых решет на точность калибрования в зависимости от радиуса подачи материала 88
4.3 Обработка результатов экспериментальных исследований 95
4.4 Результаты производственных испытаний дискового плоскорешетного калибрующего устройства 103
4.5 Выводы по четвертой главе 105
5. Экономическая эффективность использования дискового плоскорешетного устройства 107
5.1 Технико-экономические показатели эффективности использования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля 107
5.2 Расчет энергетической эффективности применения дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля 112
Заключение 115
Список основных обозначений и сокращений 117
Список литературы 119
- Классификация признаков и рабочих органов машин для разделения клубней картофеля на фракции
- Движение клубня вдоль направляющих концентрических прутков
- Объект исследования, приборы и оборудование
- Обработка результатов экспериментальных исследований
Классификация признаков и рабочих органов машин для разделения клубней картофеля на фракции
Перекрытие фракций это следствие того, что масса и размеры некоторых клубней варьируются в значительном интервале и это же ограничивает максимальную точность калибрования. Для нахождения размеров калибрующих отверстий и приближения к максимально возможной точности калибрования из точек пересечения кривых распределения проводят нормали к оси абсцисс. Точки пересечения этих нормалей с осью абсцисс определяют значения размеров отверстий [74, 123, 142]. Так же размеры калибрующих отверстий, возможно, найти без построения графиков, а путем аналитического расчета [61], по следующим уравнениям:
Во время калибрования происходит передвижение клубней, трение их друг о друга и о поверхности рабочих органов и ограждений. Разделяют несколько типов трения: трение скольжения, трение качения и трение опрокидывания. Трение опрокидывания по экспериментальным данным больше, чем трение качения [23, 60]. Это трение наблюдается, когда клубень опрокидывается под влиянием перемещающей силы вдоль своей большей оси. Каждый вид трения для облегчения расчетов можно охарактеризовать коэффициентами или соответствующими углами трения. Коэффициенты и углы трения качения всегда будут меньше коэффициентов и углов трения скольжения [120]. Абсолютные значения коэффициентов и углов трения на прямую зависят от материала поверхности и качества её обработки, с которой контактируют клубни, а также от размеров клубней. Крупные клубни обладают большим коэффициентом и углом трения. Это вызвано тем, что от мелких клубней они отличаются более шероховатой поверхностью и более продолговатой формой.
Различие коэффициентов и углов трения, между мелкими и крупными клубнями ничтожна и не может выступать ключевым фактором для калибрования клубней по размеру. Но всё же, ее можно применять как сопутствующий критерий в сочетании с другими, чтобы в большей степени придать процессу разделения закономерную тенденцию[138].
Клубни картофеля характеризуются упругими свойствами это способностью принимать исходную форму и размеры после прекращения воздействия внешних приложенных сил. По опытным данным Сысуева В.А., Кормщикова А.Д, Алешкина А.В.значение модуля упругости клубней картофеля (при сжатии) колеблется в диапазоне 3,9...6,9 МПа, предел прочности при сжатии достигает -1,2...2,0 МПа, а максимальное относительное сжатие - 25...30%. [127]. В трудах Верещагина Н.И. и Пшеченкова К.А. [21] утверждается, что предел прочности семенных клубней равен 0,45...0,55 МПа. Клубни картофеля наделены упругими свойствами, но использовать их возможно только в пределах допустимых деформаций. Вопросы и проблемы упругих ударов и деформаций клубней исследовали многие ученые [23, 29, 60, 80, 92, 148]. Из анализа работ этих ученых следует, что удары клубней, высоту и скорость их падения необходимо ограничивать в зоне упругой деформации, в противном случае они травмируются. Упругость клубня описывается коэффициентом восстановления скорости Кв и относительной упругой деформацией Л, определенной в процентах и рассчитанной как отношение величины деформации клубня Ad к исходному размеру d [60]
В зоне упругой деформации травмирование клубней не наблюдается [92]. За время механизированной уборки, необходимой транспортировки и калибрования картофеля механическое травмирование клубней достигает 30...90 % [41, 44], при этом одно из главных условий при механизации работ должно обеспечивать ограничение деформации клубней в пределах упругости. Замечено, что во время уборки и калибрования первенствуют нагрузки динамического типа[17, 20, 29]. В таком случае неизбежно причинение клубням ударов, приводящих к деформациям за пределами зоны упругости. В случае частично упругого удара часть энергии тратится на восстановление скорости, а оставшаяся часть энергии вызывает травмирование ткани. Табачук В.И., изучая процесс удара клубня о металлическую поверхность, выявил, что травмирование клубня происходит при поглощении им энергии Е = 0,08...0,18 Н-м [23, 60, 73, 92, 130, 137].
Попробуем кинетическую энергию, поглощаемую клубнем картофеля в момент удара о тяжелое, жесткое, зафиксированное тело, выразить через его массу и скорость, то объем поглощенной энергии, идущей на травмирование клубня, можно рассчитать по уравнению [16]
Из этой информации назначаются предельно допустимая скорость движения клубней удоп и предельно допустимая высота падения Идоп, которые равны: УдОП 1 м/с; /7Д0П 0,3 м [22, 65, 71]. Эти ограничения применяются к случаю центрального удара клубня, но в реальных машинах клубень может подвергаться касательным ударам о множество элементов рабочих органов. Касательная сила удара зависит от коэффициента трения клубня о поверхность рабочего органа и от нормальной составляющей силы удара. Эта сила может быть причиной травмирования внешних тканей клубня (обдир кожуры, вырыв мякоти), поэтому ее также необходимо снижать и ограничивать, используя не просто упругие материалы, гасящие энергию ударных взаимодействий, но и отличающихся низкими коэффициентами трения. Каспарова С.А. и др. доказали, что ротация голых металлических и обрезиненных прутков пустотелыми резиновыми трубками различных диаметров существенно снижает число сильно травмированных клубней [60, 80]. Из вышесказанного следует, что достаточно причин считать, что применение результатов этих исследований в конструкции рабочих органов, калибрующих машин способно снизить травмирование клубней. Сложности механизации уборки и послеуборочной доработки картофеля необходимо преодолевать комплексно, в прочной связи с агротехникой культивирования этой культуры и ее селекции. При этом требуется стремиться, чтобы кожура клубней, достигших зрелости, имела более высокие прочностные характеристики [112, 113].
Прочность кожуры во многом зависимости от сорта картофеля и находится в диапазоне 10,5... 14,8 Н/м . При стандартных сроках вегетации обдир кожуры с клубней происходит при прикладывании касательной силы 1,6... 1,8Н [29, 80].
С цель снижения травмирования при калибровании необходимо отделять в первую очередь крупную фракцию независимо от сорта картофеля. Доказано авторами работ [91, 137], что мелкие клубни любых сортов выделяются от более крупных округлостью формы, а удлиненность сорта наблюдается в основном у крупных клубней.
Параметры клубней картофеля нестабильны во времени. Они изменяются в процессе хранения вызванных жизнедеятельностью самого клубня, это необходимо учитывать при конструировании машин и технологических операций обработки картофеля.
Движение клубня вдоль направляющих концентрических прутков
С учетом выражения (2.5) для определения угла 0 находится критическое значение скорости 0)е для разных радиусов rt расположения клубня и для разных размеров клубней. При размере h = 50 мм, диаметре прутков d= 5 мм, и радиусе rt расположения центра масс клубня в пределах 0,2...0,6 м для условно проходных клубней с размером 2R = 52 мм получаем критические значения угловой скорости решета 0)е = 10,47...5,80 рад/с, что соответствует частоте вращения п = 100...55 мин"1. Большие значения найдены при малом радиусе rt= 0,2 м. С другой стороны для клубней с размером 2R= 100 мм критические значения соответственно равны сое= 6,15...3,31 рад/с (и = 59...32 мин"1). Таким образом, угловая скорость решета, достаточная, для возможного движения клубня вдоль радиуса, существенно в 1,81...1,85 раза отличается в центральной части решета и на периферии. Кроме того она зависит от размеров клубней.
Следовательно, необходимо искать рациональное и компромиссное решение для выбора угловой скорости. Назначенная скорость должна быть достаточной, чтобы обеспечить транспортировку большей части клубней от центра к периферии без дополнительных приспособлений. Но с другой стороны, требуется обеспечить минимальное значение скорости центра масс клубня при сходе с решета для снижения травмоопасности.
Таким образом, качение клубня вдоль направляющих концентрических прутков вращающегося решета происходит с постоянной угловой скоростью, определяемой по выражению (2.14): Причем для клубня с диаметром 2R = 52 мм (при размере h между прутками h = 55 мм угол 0 = 61,3 ) получаем скорость ф = 16,0 рад/с; аналогично для клубня с диаметром 2R= 100 мм, угол @ = 28,4, ф = 4,5 рад/с. Скорость центров масс клубней одинаковые и составляют 0,2 м/с [86].
Переходим к изучению II этапа движения - сферическому движению клубней относительно прутков решета. Определение условий транспортирования клубней по вращающемуся решету от центра к периферии Рассмотрим клубень, находящийся в центральной части решета (рабочей поверхности) после подачи с питающего транспортера, рисунок 2.4. На клубень действуют сила тяжести mg, нормальные реакции прутков N1 и N2. При вращении клубни, имеющие форму шара, начинают катиться вдоль направляющих прутков, отставая от вращающегося решета.
Угловая скорость собственного вращения клубня обозначена ф, где (р -угол поворота клубня. Введем естественную систему координат, показанную на рисунке 2.4
Нормальная Сп и касательная Ст оси свяжем с центром масс клубня С. Вследствие отставания клубня от вращающегося решета, центр масс С имеет касательную составляющую скорости относительно движущегося решета. Таким образом, имеет место сложное движение, в котором решето совершает переносное движение, а клубень движется относительно решета. Вследствие этого на клубень действуют переносные силы инерции: Ф - центробежная переносная сила инерции; Ф"кор - нормальная кориолисова сила инерции. Величины этих сил определяются выражениями Ф = -т-аес=-т-(о]- х-п, (2.19) L=- »-aL=-m-2-3e-V;, (2.20) где т - масса клубня, кг; сое - угловая скорость переносного движения (вращения решета), рад/с; var переменный радиус, вдоль которого перемещается центр масс клубня при относительном движении вдоль направляющих прутков, м; Я - единичный орт-вектор нормальной оси; VTr - касательная составляющая относительной скорости центра масс клубня, м/с. Рисунок 2.4 - Схема сил, действующих на клубень, находящийся между направляющими прутками Силы инерции направлены противоположно соответствующих ускорений. Следует учесть, что аес является переносным центростремительным ускорением точки решета, совпадающей в данный момент с центром масс клубня, а направление кориолисова ускорения апк можно искать по правилу Жуковского, путем по 53 ворота вектора относительной скорости V2 на 90 по направлению угловой скорости переносного движения сое (угол между вектором V2 и сое составляет 90). Анализ схемы на рисунке 2.4 показывает, что для перехода клубня на следующий ряд, то есть перекатывания вокруг правого прутка, необходимо чтобы возник достаточный по величине результирующий момент:
То есть ухудшаются условия перехода клубня от центра к периферии решета, так как из неравенства (2.21) не следует увеличивать угловую скорость вращения решета сое, в этом случае растет величина центробежной силы инерции, действующей на клубень. Но на периферии решета сила инерции Ф становится слишком большой и клубни при сходе с решета приобретают значительную скорость, ударяются о борта машины и могут сильно повредиться. Значит, следует выполнить противоречивое условие при выборе скорости решета: с одной стороны следует обеспечить возможность транспортирования вороха от центра к периферии решета, с другой стороны следует ограничить скорость схода клубней картофеля с решета для уменьшения травмоопасности.
С целью решить это противоречивое условие под поверхностью решета устанавливается подъемная планка. Она поднимает запавшие клубни картофеля из щелевых отверстий и способствует ограничению рабочей поверхности решета.
Изучим процесс перехода клубня через направляющий пруток в следующий ряд к периферии. Сделаем допущение, что за время движения клубня через на 54 правляющий пруток отсутствует проскальзывание. Это допущение позволяет представить процесс движения клубня как сферическое движение с поворотом вокруг точки контакта К, рисунок 2.5.
Клубень имеет две степени свободы: собственное вращательное движение вдоль прутка, определяемое угловой скоростью ф, и вращательное движение вокруг прутка, определяемое угловой скоростью 0.
Объект исследования, приборы и оборудование
При исследовании эффективности функционирования калибрующих устройств достаточное число повторностей опытов равняется трем. В итоге рассчитывается среднее арифметическое значение исследуемого параметра оптимизации по выражению:
Для составления аналитического выражения (3.9) характеризующего зону факторного пространства (полином П-ой степени) применяем представленные выражения для расчета коэффициентов регрессии по плану Бокса-Бенкина второго порядка [94, 137]: суммирование произведений двух векторов-столбцов матрицы квадра и=\ тичного фактора ліи и результата среднего значения Yu и-то номера опыта.
В ходе проведения регрессионного анализа уравнение было проанализировано на персональном компьютере с использованием пакета программ статистического анализа для возможности визуализации зависимости параметра оптимизации от факторов варьирования [56, 137].
Для превращения уравнения поверхности отклика для кодированных факторов (3.9) в уравнение отклика для натуральных факторов требуется пересчитать коэффициенты и подставить вместо кодированных факторов их натуральные значения. Пересчет коэффициентов проводится по следующим выражениям [141]: - 20
Статистическая и размерно-массовая характеристика клубней использованных в экспериментальных исследованиях
Эксперименты проводились на картофеле сорта «Винета», выращенным на полях ЗАО «РосЕвроплант» Завьяловского района Удмуртской Республики. Составление размерно-массовых характеристик проводилось на картофеле категории элита, обладающем выраженными сортовыми признаками.
В соответствии с методикой [11, 94, 97, 141] из хранилища взяты 3 пробы не отсортированного картофельного вороха. Каждая проба содержала 320 клубней. По анализу проб выявили состав исходной смеси. Далее из всех проб была взята выборка клубней для составления размерно-массовой характеристики. Размер выборки составил 600 клубней, содержавшей равное количество клубней трех размерных фракции. Общая масса выборки составила 46,6 кг, из них: 8,1 кг мелких; 11,4 кг средних; 27,1 кг крупных клубней картофеля.
Собранные значения линейных размеров и массы клубней представлены в виде таблицы, рассчитанные статистические характеристики клубней и картофельного вороха в целом сведены в таблице 4.1.
Анализ таблицы 4.1, привел к заключению, что из представленных линейных размеров клубня минимальной вариативностью выделяется толщина клубней, а максимальной длина, следовательно, при разделении по толщине установка, теоретически, будет работать с максимально возможной точность калибрования и наименьшим числом настроек в процессе эксплуатации.
Характеристика материала для проведения исследования дисковой плоскорешетной сортировки приведена в приложении Г. Теоретическая точность калибрования клубней в среднем по трем фракциям составила 91,2 %.
Таблица корреляционного анализа позволяет построить графики размерно-массовой характеристики компонентного содержимого вороха картофеля и установить ширину калибрующих отверстий [17, 63, 69, 77,137].
Влияние частоты вращения дисковых решет на точность калибрования в зависимости от радиуса подачи материала
Лабораторные исследования макетного образца дискового плоскорешетного устройства для калибрования клубней картофеля проводились на базе ИжГСХА. Величины уровней вариации факторов представлены в таблице 4.2. макетного образца дисковой плоскорешетной сортировки: а - подача; б - калибрование крупных клубней; в - отделенные мелкие клубни Графики, отображающие изменение точности калибрования от управляемых факторов представлены на рисунках 4.2, 4.3 и 4.4. Зависимость представлена кривыми для трех значений уровней и построенными методом наименьших квадратов. На оси ординат размечена шкала значений точности калибрования.
Анализируя графики на рисунке 4.2, замечаем, что между подачей вороха на сортировку и точностью калибрования прослеживается квадратическая зависимость. При малой подаче вороха рабочая поверхность полноценно не загружена, в результате этого крупные клубни вытянутой формы, ширина которых совпадает с шириной калибрующих отверстий, многократно пытаются отделиться от средних и мелких клубней и в результате многократных попыток проходят в калибрующее отверстие и проваливаются на внутреннее дисковое решето. При увеличении загрузки решета наблюдается возрастание точности калибрования, вызванное тем, что крупные клубни, независимо от их толщины, уже не проходят на внутреннее решето. Дальнейшее увеличение производительности снижает точность калибрования, так как преимущественно средняя фракция не успевает сориентироваться в отверстия и пройти через них, и в результате попадает в лоток для крупных клубней. С увеличением расстояния от оси вращения дискового решета до места подачи вороха (радиус подачи) крутизна графиков представленных на рисунке 4.2 снижается, а рациональное значение производительности уменьшается. Это вызвано тем, что увеличение радиуса подачи приводит к возрастанию ошибок ориентирования клубней в отверстиях, связанных с уменьшением длинны пути калибрования и ростом начальной скорости клубня, при одинаковой подаче вороха на сортировку [56, 137].
По графикам, представленным на рисунке 4.3 заметно, что между точностью калибрования и радиусом подачи вороха зависимость квадратическая. При малом радиусе установки питающего лотка, точность калибрования, как правило, меньше оптимальной, так как начальная скорость не обеспечивает условие уверенного транспортирования клубней по поверхности вращающегося решета. Клубни дольше находятся в центральной части решета, следовательно, больше времени требуется на их калибрование. Так же на точность калибрования негативно сказывается чрезмерное увеличение радиуса подачи вороха и повышенная частота вращения дисковых калибрующих решет
Обработка результатов экспериментальных исследований
При сравнении травмирования клубней дисковым плоскорешетным калибрующим устройством с серийно выпускаемой роликовой сортировкой КСЭ-15Б водящей в состав картофелесортировального пункта КСП-15Б, использовалась усредненная информация о степени травмирования клубней роликовой сортировкой по трудам Р.И. Останина [105], М.Ю. Васильченко [17] и СП. Игнатьева [55, 56], установленные значения травмирования клубней на предлагаемой сортировке в 3,74 раза ниже. На роликовой сортировке КСЭ-15Б учетное травмирование клубней составило 14,06% (таблица 4.5) [56, 137].
По прошествии трех дней с момента уборки картофеля, количество травмированных клубней на дисковой плоскорешетной сортировке отвечает агротребо-ваниям, а травмирования полученные на роликовой сортировке все еще выше допустимых агротребованиями.
За период производственных испытаний было отсортировано более 90 тонн картофельного вороха без замены агрегатов и деталей экспериментальной установки. Многократное снятие проб при испытании дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля на точность разделения компонентов вороха на фракции показало стабильно высокое значение действительной точности калибрования Тд= 83,4...88,9 %.
1. Из основных линейных размеров клубня картофеля минимальной изменчивостью выделяется толщина клубней. Теоретическая точность калибрования клубней картофеля сорта «Винета» на размерные фракции составила 91,2 %.
2. Результаты лабораторных и производственных испытаний подтвердили верность теоретических исследований. Использование теоретически рассчитанных параметров и режимов эксплуатации дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля обеспечило наивысшую точность калибрования.
3. Определенная математическая модель процесса калибрования клубней картофеля на фракции позволила вычислить оптимальные значения факторов варьирования: частота вращения калибрующих дисковых решет п = 57,26 мин"1; радиус подачи материала г = 0,28 м; подача материала q = 6,52 т/ч.
4. При проведении производственных испытаний макетного образца дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля выявлено, что по точности ка 106 либрования клубней картофеля на фракции дисковая плоскорешетная сортировка не уступает роликовой сортировке в составе карто фелесортировального пункта КСП-15Б. Для дисковой плоскорешетной сортировки - точность калибрования составляет 83,4...88,9 %, для роликовой сортировки - 83,6...89,2% [56]. Количество повреждений наносимых клубням картофеля дисковой плоскорешетной сортировкой значительно ниже, в день уборки 3,76 %, через три дня после уборки 1,62%; а роликовой сортировкой - 14,06% и 5,03 % соответственно.
Технико-экономические показатели эффективности использования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля
Расчет экономической эффективности применения дисковой плоскорешетной сортировки выполнен по данным лабораторных и производственных исследований экспериментальной установки. Сконструированная машина, калибрующий рабочий орган которой представляет собой два дисковых решета, с плоской поверхностью снабженной прямоугольной концентрически расположенной щеле-видной ячейкой, была создана для разделения клубней картофеля на три (возможно на две) фракции. Для сравнения приняли имеющую широчайшее распространенную роликовую сортировкой КСЭ-15Б, входящую в состав картофелесорти-ровального пункта КСП-15Б. Рабочий орган роликовой сортировки отлично разделяет клубни, но при работе наносит им существенное травмирование [56, 137].
Предложенная дисковая плоскорешетная сортировка выгодно отличается высокой удельной выработкой единицы продукции на единицу использованной энергии, малой материале и энергоемкость, а также возможностью эксплуатации экспериментального образца, как в составе комплексов, так и автономно, что при нынешней технологии производства картофеля существенно выгоднее для небольших сельхозтоваропроизводителей. Новая машина при выделении семенного материала отличается малой травмируемость клубням.
Для расчета была использована методика оценки специализированной сельскохозяйственной техники и выявления экономической эффективности применения в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и проектно-конструкторских трудов [13, 36, 78, 102].
Вычисление годового экономического эффекта строится на сравнении приведенных затрат на обработку единицы продукции базовой и предлагаемой техникой, которые включают в себя сумму себестоимости и нормативной прибыли.
При этом необходимо учитывать сопоставимость сравниваемых вариантов предлагаемой и базовой техники по объему перерабатываемой продукции, качественным показателям работы и социальным аспектам, а так же влияние и на окружающую среду.
Согласно существующей методике затраты труда и текущие издержки рассчитываются на единицу обработанной продукции. Текущие издержки (приведенные затраты) суммируются из затрат на заработную плату с отчислениями, стоимости потребленной электроэнергии, расходов на хранение, на амортизацию и ремонт [137].
Исходные данные для расчета технико-экономической и энергетической эффективности использования предлагаемой карто фелесортировки и расчетные данные затрат на сортирование картофеля приведены в таблице 5.1. Расчетные данные затрат на калибрование представлены в таблице 5.2.