Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1 Особенности производства картофеля в Иране и в России 8
1.2 Сортирование клубней картофеля 10
1.3 Анализ устройств для сортирования клубней по размерными признакам 24
1.4 Цель и задачи исследований 50
II. Теоретические исследования по обоснованию основных параметров барабанной сортировки 52
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы сортировки ...52
2.2 Обоснование конструктивных параметров сортировки 55
2.3 Анализ движения клубней по внутренней поверхности неподвижного барабана 56
2.4 Анализ движения клубней по внутренней поверхности вращающегося барабана 64
2.5 Вероятность прохождения клубней картофеля через отверстия сетки 70
2.6 Выводы 74
III. Программа и методика экспериментальных исследований 76
3.1 Программа экспериментальных исследований 76
3.2 Методика исследования физико-механических свойств картофеля 76
3.3 Методика измерения коэффициентов трения клубни по эластичной сетке 78
3.4 Методика исследования сортирования клубней барабанной сортировки 80
3.5 Методика исследования влияния натяжения сетки на прохождение клубни через отверстия 82
3.6 Методика оценки качества сортирования 82
3.7 Методика экспериментальных исследований по оптимизации параметров процесса сортирования 87
3.8 Методика обработки результатов экспериментальных исследований 91
IV. Результаты экспериментальных исследований 93
4.1 Статистические и размерно-массовые характеристики клубней 93
4.2 Результаты исследований натяжения сетки на углы скольжения, качения, и прохождение клубней сквозь сетку 98
4.3 Обработка результатов лабораторных экспериментальных исследований 100
4.4 Результаты испытаний опытного образца картофелесортировки барабанного типа с эластичной поверхностью 115
4.5 Выводы 116
V. Экономическая эффективность применения сортировки...118
Заключение и общие выводы 123
Список литературы 125
Приложения 137
- Особенности производства картофеля в Иране и в России
- Обоснование конструктивно-технологической схемы сортировки
- Методика исследования физико-механических свойств картофеля
- Статистические и размерно-массовые характеристики клубней
Введение к работе
Картофелеводство является одной из наиболее трудоемких отраслей сельскохозяйственного производства. Во многих странах, в том числе в Российской федерации и Иране, картофель является вторым после хлеба продуктом питания. Поэтому посадки картофеля занимают значительную площадь, которая в 2003 году составляла: в России 3,2 млн. га, а в Иране 170 тыс. га[30]. При этом большая часть картофеля производится в мелких хозяйствах и фермах с большими затратами ручного труда. В некоторых хозяйствах затраты труда на производство 1 т картофеля достигают 35 чел/ч, большая часть которых приходится на его уборку, послеуборочную обработку и подготовку семенного материала к посадке [29]. Поэтому сокращение затрат при уборке, транспортировке, хранении и послеуборочной обработки является важнейшим ресурсом снижения себестоимости и источником пополнения продовольственного фонда этих странах.
Сортирование - важная операция в технологии послеуборочной и предпосадочной обработки картофеля. Потребность в разделении клубней на фракции существует независимо от назначения возделываемого картофеля. Клубни семенного, продовольственного или идущего на переработку картофеля необходимо сортировать, чтобы они соответствовали требованиям ГОСТ 7001-91. При закладке картофеля на хранение без сортирования ворох содержит значительное количество мелких клубней, что ухудшает условия хранения. Семенной картофель машинами высаживают только отсортированными клубнями. При этом повышается производительность и качество работы картофелепосадочных машин. Использование на посадке несортированных клубней приводит к пропускам, неравномерному появлению всходов, отставанию отдельных растений в развитии. Это снижает урожайность и товарные качества клубней.
За последние годы производство картофеля в России практически концентрируется в частном секторе. При этом доля валового сбора картофеля в крупных хозяйствах за последние годы сократилась с 34% в 1990 г. до 7% в настоящее время, а в индивидуальных и личных подсобных хозяйствах, включая фермерские, составляет более 90% [5].
Одними из основных причин снижения объемов выращивания картофеля в крупных сельхозпредприятиях являются трудности в реализации выращенного урожая, резкий рост цен на основные средства его производства, включая технику, и высокая насыщенность рынка продукцией, произведенной в частном секторе.
В Иране, как и в других развивающихся странах, картофель высаживается на полях, площадь которых меньше чем 3-4 гектара [99]. Если для посадки, ухода за посадками и для уборки на малых участках выпускаются одно- и двухрядные сажалки, картофелекопатели и др. машины, то сортирование убранных клубней в личных хозяйствах производится вручную, на что приходится до 30-50% от общих трудозатрат [5].
Одним из типов картофелесортировок являются машины с ротационными рабочими органами, имеющие решета цилиндрической формы, вращающиеся относительно продольной оси (барабанные сортировки). К основным преимуществам барабанных рабочих органов следует отнести сравнительную простоту конструкции и спокойную работу. В настоящий момент это самые простые, дешёвые и удобные в эксплуатации машины. В тоже время установлено, что в барабане используется только 12...16% его внутренней поверхности. Это влечет за собой громоздкость, большую массу и сравнительно низкую удельную производительность [42]. Кроме этого установлено, что применяемые барабанные картофелесортировки наносят клубням значительные повреждения [42, 52,77].
Проблемой сортирования клубней картофеля в разные годы занимались М.Ю. Васильченко, Н.И. Верещагин, Ю.И. Кириенко, Н.Н. Колчин, Л.М. Максимов, Г.Д. Петров А.А.Сорокин, D.D. Hamman, C.T.J. Koning, D.C. McRae, M.J. Pitts, L. Speelman и другие. Анализ опубликованных результатов их исследовании позволяет сделать вывод, что во всех машинах применялась жесткое поверхности. Имелись предложения по применению эластичной сортирующей поверхности, но её применение практически не изучалось.
Изучением относительного движения клубней и других сельскохозяйственных продуктов по поверхности барабанных рабочих органов занимались П.М.Василенко, Н.Н.Колчин М.Н. Летошнев, Л.М. Максимов, М.Я. и др. Движение клубней по сортирующей поверхности рассматривалось как движение материальной точки, при этом размерами клубня пренебрегали. В настоящей работе движение клубня в процессе сортирования рассматривается как движение твердого тела.
Целью работы является разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки с эластичной сортирующей поверхностью сравнительно невысокой производительности для фермерских (крестьянских) хозяйств пригодной для сортирования клубней картофеля, возделываемого в России и Иране.
Объектом исследований являются физико-механические свойства клубней картофеля и технологический процесс работы малогабаритной картофелесортировки, барабанного типа с эластичной сортирующей поверхностью. На защиту выносятся следующие положения:
Физико-механические свойства картофеля, возделываемого в Иране;
Методика и результаты измерений коэффициентов трения скольжения
и качения клубней картофеля по сетчатой поверхности;
3. Математические модели движения клубней картофеля по внутренней
поверхности барабана и теоретические зависимости угла подъема
клубней от свойств поверхности, угловой скорости барабана и первоначального положения клубней;
4. Математическая модель в виде уравнения рефессии, связывающая
показатель точности сортирования клубней с параметрами процесса;
5. Конструктивно-технологическая схема картофелесортировки
барабанного типа с эластичной сетчатой рабочей поверхностью и
оптимальные параметры процесса сортирования;
6. Результаты испытаний опытного образца сортировки.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. профессору Колчину Н.Н. за ценные советы и творческую поддержку в процессе проведения исследовании и подготовки диссертации.
Особенности производства картофеля в Иране и в России
Картофель является одним из главных продуктов в Иране после риса и пшеницы. Его возделывание началось в стране почти 200 лет назад. Годовое потребление клубней картофеля составляет 20кг на душу населения. Он выращивается практически на всей территории Ирана. Но, как видно из рис. 1.1, северные и западные районы страны являются основными районами его возделывания. На рис. 1.2 показаны изменения урожайности и общей площади выращивания картофеля в стране за период с 1960 по 2000г.г. В 2002 году общая площадь под картофелем достигла 165000га., а валовое производство 3,8 млн. тонн [30]. Следует отметить, что в Иране, как и в других развивающихся странах, картофель высаживается на полях, площадь которых меньше чем 3-4 гектара [100] . До настоящего времени посадка, уборка и сортирование картофеля осуществляются ручным способом. Отдельные хозяйства используют импортные машины, а с недавних пор в стране начались исследования в области создания и конструирования этих машин [17]. Khojastepour и Tabatabaeefar исследовали возможность создания картофелесортировки грохотного типа, но они не учитывали физико-механические свойства иранских сортов картофеля, а так же особенностей производства картофеля в иранских фермерских хозяйствах. Поэтому их работа не привел к требуемым результатам [101].
В России в сложившихся экономических условиях выращивание картофеля имеет свои особенности. За последние годы производство картофеля в России практически концентрируется в частном секторе. При этом доля валового сбора картофеля в крупных хозяйствах сократилась с 34% в 1990 г. до 7% в настоящее время, а в индивидуальных и личных подсобных хозяйствах, включая фермерские, составляет более 90%.[5].
Одними из основных причин снижения объемов выращивания картофеля в крупных сельхозпредприятиях являются трудности в реализации урожая, резкий рост цен на основные средства его производства, включая технику, и высокая насыщенность рынка продукцией, произведенной в частном секторе.
В то же время уровень механизации производства картофеля в мелком частном секторе остается низким. Далеко не всегда обеспечивается его сортовое качество. По нашим наблюдениям затраты труда в этом секторе в
Если для посадки, ухода за посадками и для уборки на малых участках выпускаются одно- и двухрядные сажалки, картофелекопатели и др. машины, то сортирование убранных клубней в личных хозяйствах производится вручную, на что приходится до 30-50% от общих трудозатрат.
Одной из важных операции в технологии послеуборочной предпосадочной обработки картофеля является сортирование. Вопросы сортирования, т.е. разделения клубней картофеля на фракции по различным признакам, а также классификация этих признаков и их характеристики рассмотрены и проанализированы в многочисленных работах [12, 20, 33, 45, 76, 104, 105].
Наибольшее практическое применение в сельскохозяйственном производстве нашел способ разделения клубней картофеля по их размерам, который называется "сортирование" [20]. При закладке картофеля на зимнее хранение в помещениях сортирование может проводиться как до, так и после разделения массы клубней по качеству. Как правило, контроль качества включает в себя сортировку с целью удаления нестандартной и дефектной продукции, всевозможных примесей. Обычно разделение по качеству и по размерам производят одновременно [26].
Независимо от целей и назначения возделываемых клубней картофеля существует потребность их сортирования. Например, при производстве семенного картофеля одним из важнейших требований является однородность состава клубней по массе. Наиболее стабильные и высокие урожаи получаются при посадке клубней массой от 50 до 80г. При посадке клубней массой более 80г урожайность повышается незначительно, а чистый урожай, т. е валовой урожай за вычетом массы семян, почти равен урожаю, полученному при посадке клубней массой от 50 до 80г. но масса высаживаемых на 1га клубней растет, это экономически невыгодно. При посадке картофеля клубней массой менее 50г (например, 40г) урожайность снижается на 30-40%. Установлено, что при посадке несортированным картофелем и при наличии в семенах большого количества клубней весом более 100-120г пропуски достигают 30 % и более, т.е. посадки получаются сильно изреженными и урожайность резко снижается [33]. Однородный посадочный материал обеспечивает одинаковое развитие надземной и подземной частей растений, позволяет повысить точность раскладки клубней, снизить пропуски при посадке и повысить производительность высаживающих машин.
Обоснование конструктивно-технологической схемы сортировки
В настоящее время создание новых рабочих органов машин для послеуборочной обработки клубней картофеля ведется с учетом необходимости снижения повреждений клубней в процессе обработки, увеличения производительности и точности разделения на фракции массы картофеля. Процесс сортирования клубней возможен при соблюдении трех основных условий [42]: - клубень должен находиться над соответствующим свободным отверстием сортирующей поверхности; - клубень картофеля должен быть ориентирован так, чтобы его размер, по которому происходит сортирование, был меньше размера соответствующего калибрующего отверстия и располагался с ним в одной плоскости; - сила, действующая на клубний должна быть, достаточная по величине и по времени действия для продвижения клубней к калибрующим отверстиям и прохода их сквозь эти отверстия.
Первое условие выполняется в том случае, если клубни расположены на сортирующей поверхности в один слой.
Соответствующая ориентация клубней, а также их продвижение к калибрующим отверстиям возможны лишь при их движении относительно поверхности [42]. Движение клубней относительно сортирующей поверхности может быть достигнуто при ее колебании, вращении, встряхивании и др.
На процесс разделения клубней картофеля на фракции сортирующими поверхностями значительное влияние оказывает форма отверстий [20,77]. При сортировании клубней картофеля применяют рабочие органы с круглыми, овальными, шестиугольными, ромбовидными, квадратными, прямоугольными и щелевыми калибрующими отверстиями [78,103].Это влияние объясняется различием соотношения суммарной площади отверстий и площади поверхности при различной форме ячеек. Сравнительные характеристики поверхностей (по живому сечению полотна ц), полученные по делением суммарной площади S, отверстий к площади участка поверхности So6 приведены в таблице 2.1. Здесь параметр 2В характеризует размер калибрующих отверстии, а АВ - ширину перемычки между отверстиями. Представленные данные свидетельствуют о том, что наибольшее живое сечение и соответственно пропускную способность имеют поверхности с щелевидными и квадратными отверстиями [13].
Сортирующая поверхность делит клубни на две фракции - «проход» и «сход». В зависимости от размера ячейки возможны следующие варианты процесса сортирования - мелкие клубни проходят сквозь ячейки, а крупные и средние сходят с поверхности (последовательное разделение); мелкие и средние клубни в смеси идут в «проход», крупные сходят с поверхности (параллельное разделение). Второй вариант, при котором крупные и средние клубни быстрее выделяются, меньше повреждает клубни, но конструкция сортировки более сложная. Поэтому для решения нашей задачи, то есть создания малогабаритной и простой картофелесортировке, первый вариант является более предпочтительным.
В результате проведенного анализа, представленного в первой главе, был сделан вывод, что высокую практическую ценность для решения поставленной задачи представляют машины, снабженные эластичной сепарирующей поверхностью, которая обеспечивает снижение повреждений клубней. Применение эластичной сетки для калибрования картофеля может обеспечить следующие достоинства: - низкая повреждаемость клубней картофеля; - низкая стоимость сетки; - способность самоочистки; - достаточная точность сортирования.
С учетом изложенного в качестве рабочего органа применили сетку с квадратными ячейками, изготовленную из капронового шнура диаметром 4 мм. Шнур представляет собой сложную конструкцию из множества нитей, различными образом сплетенных между собой.
Первоначально размер ячейки выбираем с учетом рекомендации [42] в пределах 33...40мм для мелкой и 40...46мм для средней фракций. Ограничения при изготовлении сетки с определенным размером ячейки и результаты наших экспериментов, которые далее представлены в главе 4, позволили нам принять размер ячейки 35 35мм и 45 45мм для мелкой и средней фракций, соответственно.
Методика исследования физико-механических свойств картофеля
Целью экспериментальных исследований является проверка теоретических предпосылок процесса разделения компонентов вороха картофеля на фракции и уточнения параметров работы малогабаритной барабанной сортировки с сетчатой поверхностью, работающей по последовательному принципу.
В соответствии с поставленной целью программа исследований включала решение следующих задач: - определение размерно-массовых характеристик клубней картофеля; - определение параметров процесса движения клубней картофеля по эластичной сетке; - разработка и изготовление макетного образца барабанной сортировки с эластичной поверхностью; - исследование влияния конструктивных параметров и режимов работы барабанной сортировки с сетчатой поверхностью на точности сортирования клубней; - оптимизация процесса сортирования и анализ полученных зависимости; испытание и определение технико-экономических показателей сортировки.
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.
Для обоснования величины сортирующих отверстий необходимо определить численные значения статистических характеристик клубней разных фракций. Для этого использовали клубни несортированного картофеля сорта Удача, выращенного в учебном хозяйстве МСХА. Несортированные клубни картофеля, взятые с различных учетных площадок (разных мест хранилища), перемешивали и составляли пробу для установления размеров и веса клубней. У каждого из клубней определяли длину, ширину, толщину и массу. Для определения указанных параметров по требованиям ОСТ 10.8.5-87 используются весы ВЛТК-500 и штангенциркуль. Каждый клубень пробы взвешивается с точностью до 1 г и измеряется его длина, ширина и толщина с точностью до 1 мм. По массе клубни распределяют по группам от 25 до 50 г; свыше 50 до 80 г и свыше 80 г, замеряли их размеры, результаты заносили в таблицу и обрабатывали методами математической статистики.
При этом для клубней всех фракций и каждого линейного размера определяется средняя арифметическая величина, средне квадратичное отклонение и коэффициент вариации. По данным, полученным в результате обработки размерно-массовых характеристик компонентов вороха картофеля, определяется коэффициент формы клубней и процентов содержание крупных, средних и мелких клубней в ворохе картофеля. Графики зависимости между размерами клубня и его массой, действительные и теоретические вариационные характеристики размеров клубня от его массы по фракциям строятся по данным обработки размерно-массовой характеристики клубней.
Аналогичные исследования выполнены нами в Иране на сорте картофеля "Морфана", который является наиболее распространённым в стране. Результаты исследований приведены в работе [17].
Для определения влияния натяжения сетки на работу сортировки, прежде всего, необходимо определить коэффициенты трения клубней картофеля на сетке при различном её натяжении. Поэтому нами разработана специальная методика для определения коэффициентов трения качения и скольжения клубней по сетке. В качестве рабочего органа принимаем сетку с квадратными ячейками, изготовленную из капронового шнура диаметром 4 мм. Шнур представляет собой сложную конструкцию из множества нитей, различными образом сплетенных между собой.
Натяжение сетки оцениваем показателем Є, который вычисляет по
_FH формуле: - —, где FH - сила, приложенная к сетке по нормали, Н; д отклонение (прогиб сетки) от первоначального положения под действием силы FH, мм.
Коэффициенты трения скольжения /си качения fK определяется по формуле fc=tgfi и fK=tgy/, где /? и ц/ минимальный угол наклона поверхности, при котором наблюдается начало скольжения и качения клубней при разном натяжении сетки. Для измерения углов J5H а изготовлен специальный стенд (рис. 3.1), позволяющий изменять натяжение сетки и наклон её к горизонту.
Данный прибор представляется собой лоток, у которого борта с одной стороны по длине и одной стороны по ширине могут перемещаться с помощью торцевых реек 3 и винтов 4 (рис. 3.1). В результате сетка 6, которая закреплена на бортах, будет натягиваться в двух направлениях, и сохранять форму ячейки (рис.3.2
Статистические и размерно-массовые характеристики клубней
Обработку экспериментальных данных проводили на персональном компьютере по программе SPSS (приложении 8 и 9). Результаты анализа показывают однородность измеряемых показателей с вероятностью 95 % при двух уровнях натяжения. Это позволит сделать вывод, что натяжение сетки не оказывает существенное влияние на величину коэффициентов трения. С другой стороны известно, что средние значения углов скольжения и качения клубней картофеля на гладких поверхностях, изготовленных из разных материалов, например резина и сталь, составляет 34 и 17 градусов соответственно [69].
Сравнивая значения углов ]8 и а на сетке и на гладких поверхностях, можно утверждать, что коэффициенты трения на сетке в 1,5 раз больше чем на других поверхностях. Это позволяет более эффективно использовать внутреннюю поверхность сетчатого барабана для перемещения клубней и тем самым повысить производительность машины. Ъ d/s
Результаты опытов по определению влияния натяжения сетки и параметра d/s на необходимое число отверстий для прохождения единичных клубней сквозь её ячейки приведены на рисунке 4.4. Графики показывают, что при использовании жесткой поверхности, клубни, диаметр которых меньше чем 0,75 отверстия сетки, легко проваливаются, а клубни крупнее 0,75 отверстия сетки трудно проходят через отверстия. При использовании эластичной сетки возможность для прохождения клубней повышается и при степени натяжение Н=10г/мм достигается максимально значения d/s, при котором клубни легко проваливаются.
В 2004 году на кафедре сельскохозяйственных машин в ТСХА проводились испытания макетного образца барабанной сортировки с сетчатой поверхности, представленной на рисунке 4.5.
Исследования проводились в два этапа. На первом этапе проводились однофакторные эксперименты, позволяющие приблизительно определить область оптимальной работы сортировки. На втором этапе проводились многофакторные эксперименты для определения математической модели процесса и значений факторов, при которых обеспечивается наибольшая эффективность работы сортировки.
Все однофакторные опыты проводились в трехкратной повторности. По результатам определялся средний арифметический действительный коэффициент точность сортирования (приложение 6).
Графики, отражающие зависимость точности сортирования от изменения величины ранее названных управляемых факторов, приведены на рисунках 4.6, 4.7 и 4.8.
это увеличение при разных частотах вращения барабана имеет свои характерные особенности наклона. Данный показатель продолжает закономерно возрастать при увеличении до подачи 3000-3500 кг/ч, а далее стабилизируется. Это можно объяснить тем, что при малой подаче вороха клубней картофеля они меньше взаимодействуют друг с другом, и поэтому сравнительно быстро двигаются внутри барабана и также быстро выходят из него. С увеличение подачи они больше встречаются и соприкасаются друг с другом, в результате чего задерживаются в барабане и лучше ориентируются на внутренней поверхности барабана и проходят через ячейки.
Известно, что при очень большой подаче, точность также уменьшается, потому что в этих условиях клубни располагаются на сортирующей поверхности высотой больше одного элементарного слоя, т.е. в два-три или более клубней. Тогда те клубни, которые находятся сверху на первом слое и не успевают проходить через ячейки, поэтому точность сортирования снижается.
По графикам, приведенным на рис. 4.7 видно, что при разных частотах вращения и разной подаче, точность сортирования получается более высокой, когда натяжение сетки является слабым. С увеличением натяжения сетки точность сортирование снижается. Это связано с тем, что при сильном натяжении сетки её поверхность является упругой. Поэтому при падении клубней картофеля из приемного лотка на сетку они колеблются, а отталкиваясь от её поверхности, не успевают пройти через ячейки.
