Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1 Анализ основных направлений исследования биометрических и физико-механических свойств початков кукурузы 12
1.2 Анализ способов и средств послеуборочной обработки початков семенной кукурузы 18
1.3 Обзор теоретических исследований 32
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 35
2 Теоретические исследования перекатывания початков кукурузы по наклонной поверхности 39
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы установки для сортирования початков кукурузы 39
2.2 Определение безопасных условий перемещения початков на рабочую поверхность 41
2.3 Перекатывание початка по поверхности переменной кривизны 51
2.4 Выбор кода цветности для сепарации початков в обертках и без оберток 59
2.5 Расчет параметров места расположения оптического датчика 63
Выводы по разделу 64
3 Методика и результаты экспериментальных исследований 66
3.1 Характеристика гибридов, принятых для исследования. Методика определения биометрических и физико-механических свойств початков, влияющих на условия их сортирования 66
3.2 Методика исследования сортирования початков по кодам цветности 71
3.3 Методика полевых исследований 73
3.4 Результаты исследования биометрических и физико-механических свойств початков, влияющих на условия их сортирования 75
3.5 Результаты исследования движения початков кукурузы по наклонной поверхности 79
3.6 Сортирование початков по кодам цветности 84
3.7 Экспериментально-лабораторные исследования сортирования початков 88
3.8 Полевые исследования сортирования початков 89
3.9 Уточнение основных параметров установки для сортирования початков методом планирования эксперимента 91
3.10 Методика инженерного расчета параметров установки для сортирования початков 97
3.10.1 Постановка задачи 97
3.10.2 Исходные данные 97
3.10.3 Алгоритм расчета основных параметров установки 98
3.10.4 Определение положения оптического датчика 102
Выводы по разделу 103
4 Экономическая эффективность использования установки для сортирования початков кукурузы 105
Заключение 111
Общие выводы 111
Рекомендации производству 112
Перспективы дальнейшей разработки темы 112
Список использованных источников 113
Приложения 130
- Анализ способов и средств послеуборочной обработки початков семенной кукурузы
- Перекатывание початка по поверхности переменной кривизны
- Результаты исследования движения початков кукурузы по наклонной поверхности
- Уточнение основных параметров установки для сортирования початков методом планирования эксперимента
Анализ способов и средств послеуборочной обработки початков семенной кукурузы
От условий уборки семенной кукурузы зависит способ ее дальнейшей переработки.
Семенную кукурузу убирают при достижении полной спелости, в фазе конец восковой – начало полной спелости и в предельно короткие сроки. Продолжительность уборки одного гибрида составляет 5-7 дней [9, 11, 12, 28, 36, 51, 118].
Уборку кукурузы в початках на семена начинают при влажности зерна 28-35%. Современная технология «поле-завод» предусматривает уборку урожая семенной кукурузы в початках кукурузоуборочными комбайнами с одновременной очисткой основной массы початков в поле и доочисткой их на початкоочистительной линии предприятия или в обертках.
Для России обоснована целесообразность проведения своевременной уборки. В условиях холодной осенней погоды початки на растениях высыхают так же медленно, как и початки, находящиеся в хорошо оборудованных воздушных сушилках. В связи с этим заводы по обработке семян кукурузы принимают початки с влажностью до 45%, что позволяет начинать уборку уже в период перехода от восковой спелости зерна к полной спелости.
Своевременная уборка уменьшает риск повреждения морозом початков кукурузы, потери при механизированной уборке, потери при повреждении початков вредителями и грибковыми болезнями, удлиняет рабочий сезон заводов по обработке семян и увеличивает их пропускную способность.
При уборке кукурузы с очисткой, полнота сбора початков должна быть не менее 98,5%, степень очистки початков от оберток не менее 95%, чистота вороха початков не менее 99,7%, вышелушивание зерна не более двух процентов, повреждение зерен в початках не более одного процента, поломанных стержней початков не более двух процентов [28].
Доочистка початков на стационаре должна составлять не менее 98 процентов. Содержание сорных примесей не должно превышать пол – процента, как и количество поломанных на части початков и наличие свободного зерна в ворохе очищенных початков. Количество початков с поврежденной поверхностью должно быть не более полутора процентов.
Очистка семенной кукурузы требует удаления оберточных листьев полностью, с возможным наличием одного листа покрывающего початок на 12–150 поверхности. Очищенными также считаются початки семенной кукурузы, на которых имеется не более одного листа обертки [28].
На участках гибридизации початки с рядков материнских и отцовских форм убирают в разное время, что предупреждает их смешивание. Початки с рядков материнских форм убирают преимущественно вручную, выламывая их из оберток или обрывая со стебля растения вместе с оберткой с последующей очисткой от нее и сортировкой в течение дня.
Для уборки семенной кукурузы используют как отечественные КС-1,2, ККС-2, СК-5А «Нива», так и зарубежные кукурузоуборочные комбайны «Bourgoin», «Hege», «Палесье» [7, 13, 49, 76, 94, 110, 113, 120, 130, 132, 135, 136, 138, 140, 141, 143, 152, 161, 176, 187-190].
Так как потери початков при комбайновой уборке составляют от 5 до 7%, то механизированный способ применяют только на участках гибридизации с размножением семян двойных межлинейных гибридов.
Параметры линии обработки в значительной степени зависят от режима ее работы, который определяется количеством и качеством материала, поступающего на доработку. Неочищенные початки, доставленные от комбайнов, обрабатывают с очисткой на поточных механизированных линиях; с обмолотом на стационаре, оборудованном поточными линиями, скомплектованными из кукурузных молотилок [78, 83, 85, 95, 110].
При обработке початков используют отечественные початкоочисти-тельные комплексы, оснащенные очистителями початков ОП-15С и ОП-15П [36, 49, 78, 108].
Принцип работы технологических линий початкоочистительных комплексов с использованием очистительных аппаратов комбайнов заключался в следующем: доставленные от комбайнов тракторными тележками початки взвешивались и разгружались в бурт на площадку перед дозаторами, откуда подавались скатными досками на очистители початков, а затем на ручную доработку и повторную очистку. Производительность составляет 12-15 т/ч.
В поточной линии очистки початков на базе переоборудованного полуприцепа-разбрасывателя ПРТ-10 и очистителя ОП-15С применялся ручной труд и повторная доочистка. Производительность линии была 9-10 т початков за час сменного времени.
В технологической схеме работы универсального механизированного пункта ПМУ-15 с использованием ОП-15С также применялся ручной труд и повторная доочистка [54].
Технологический процесс работы применяемого и в настоящее время комплекте оборудования для послеуборочной обработки кукурузных початков на семена KОK-12.5C осуществляется следующим образом (рисунок 1.2). С транспортного средства початки подаются на ленточный транспортер-распределитель и далее загружаются в очиститель. Очищенные початки распределяются транспортером и тележкой по бункерам. На переборочном столе вручную осуществляется выборка некондиционных початков, которые отправляются на повторную очистку.
Спроектированный институтом HYBRID ENGINEERING (США) и построенный югославской компанией ИС ПОЙНТ завод ООО «Гибрид СК» работает по следующей схеме (рисунок П 7.3) [179].
Кукуруза поступает в початках, взвешивается и на разгрузочной платформе выгружается в приемный ковш. Затем через вибростолы початки поступают на наклонный транспортер с магнитом для удаления металлических предметов. Далее початки поступают на лущильник, а потом ленточным транспортером на столы переборки, где рабочие отбирают неочищенные, которые возвращаются на повторную очистку, поврежденные и некондиционные. Следующими этапами являются сушка, обмолот и обработка зерна. Производительность системы лущения и переборки составляет до 30 т/час.
Линия по переработки кукурузы совместного производства Германия-Венгрия осуществляет обработку семенных початков практически по аналогичной схеме. Из приемного бункера виброраспределителем початки подаются на загрузочные транспортеры, затем на 12-ти рядный лущильник оберток. После чего на инспекционном транспортере с параметрами длины 6,8 м и ширины 0,6 м вручную выполняется переборка и выбраковка. По производительности сопоставим с предыдущей линией [154].
Компания «Зерноколос» импортирует и поставляет на российский рынок початкоочистительные линии «Husker» для семенной кукурузы с пара 21 метрами: 8 линий на 4-15 м3/час; 12 линий на 6-20 м3/час; 16 линий на 8-25 м3/час (рисунок П 7.4) [147]. После переборки недоочищенные початки также возвращаются на повторную очистку.
К 2012 году на Украине нашли достаточно широкое распространение мини-заводы [155]. Это объяснялось тем, что в условиях крупного завода непросто выдерживать особенности обработки семян отдельных гибридов и их родительских компонентов. Важнейшей особенностью комплекса является то, что он спроектирован на модульной основе, то есть с возможностью постепенного наращивания мощности и расширения технологических операций (рисунок П 7.5). Предусмотрены три схемы модульного построения и комплектации комплекса – базовая, сокращенная и полная. Базовая схема включает технологические операции по приему и доработке початков, их сушке и обмолоту, первичной очистке зерна.
Все операции ведут в потоке с уборкой, что позволяет исключить хранение влажной кукурузы на площадках, а очищенное зерно дорабатывают на другом оборудовании, не входящем в состав комплекса.
С 2008 г. в Сербии эксплуатируется линия по переработке початков семенной кукурузы «METALAC 2» [177]. В технологический процесс включены очистители-лущильники (число которых может варьироваться), производительностью 5,5-7,5 т/час и ленточные транспортеры (с числом рабочих мест от 3-5) для сортировки потока переработанных початков (рисунок 1.6).
В начале 2000-х гг. была разработана линия очистки и сортировки початков семенной кукурузы, укомплектованная отечественным оборудованием (рисунок П 7.7) [101, 156].
Кукуруза в початках загружается в металлический приемный бункер, из которого початки подаются на очистку в очиститель ОП-15 транспортером ТС-40. После очистителя початки подаются на сортировочный стол, где происходит ручная сортировка, а затем часть початков отправляется на повторную очистку.
Технологическая оснащенность кукурузокалибровочных заводов Краснодарского края (ККЗ «Кубань», «Ладожский», «Скиф» (Староминская), «Кубаньгибрид» (Тихорецк) и другие) считается отвечающей требованиям подготовки семян не только в России, но и в Европе. Это объясняется тем, что они в значительной степени укомплектованы импортным оборудованием. Но это крупные объединения, рассчитанные на многотонные потоки обрабатываемого материала [150, 157].
Перекатывание початка по поверхности переменной кривизны
Улучшение разделения початков кукурузы на очищенные и неочищенные возможно с учетом их физико-механических свойств при использовании горок переменной кривизны.
Рассмотрим горку с переменой кривизной поверхности (рисунок 2.12), которая включает разгонный участок и участок торможения при выходе с элеватора початков.
Движение початка по такой поверхности может быть представлено как плоскопараллельное (рисунок 2. 13а, б).
Движение початка можно описать тремя уравнениями, которые имеют вид
Исследование характера перемещения початков по поверхности с изменяемой геометрией состоит в определение:
- кинетической энергии при качении початков с различными физико механическими характеристиками по нисходящей поверхности;
- пути, на котором при движении по восходящей поверхности эта энергия будет израсходована, и движение по восходящей поверхности прекратится.
Составили дифференциальные уравнения движения початка по нисходящей плоскости в соответствии с рисунком 2.13а.
Скорость перекатывания початка по нисходящей наклонной плоскости имеет линейную зависимость, что подтверждается графиком 2.14 в интервале отрезка времени от 0 до 0,5 с.
Путь s, который пройдет початок, равен
Путь, который проходит початок после касания поверхности нисходящей наклонной плоскости зависит от начальной скорости и времени его движения (рисунок 2.15).
Тогда кинетическая энергия початка катящегося вниз по нисходящей поверхности равна
Решая уравнения (2.32) и (2.33), нашли скорость початка vc на восходящей поверхности (рисунок 2.16)
Для анализа выражения (2.41) с учетом физико-механических свойств, определенных в результате проведенных экспериментов, построили графики (рисунок 2.19) при различных значениях коэффициентов трения качения fk и углов наклона восходящей поверхности .
В результате проведенных методом графической интерпретации исследований (рисунок 2.19), было установлено, что изменение шероховатости поверхности приводит к изменению коэффициентов трения качения. Это, в свою очередь, приводит к изменению пути, который проходит початок по восходящей поверхности. Увеличение угла наклона поверхности приводит к уменьшению пути движения початка по восходящей поверхности. Рассмотрели зависимость дальности перекатывания початка от угла наклона восходящей поверхности (рисунок 2.19).
Характер графиков наглядно показывает, что с увеличение угла подъема разница в пути при изменении коэффициента трения качения незначительна. Меньшие значения углов подъема дают большую разницу в пути прохождения початка до остановки.
Результаты исследования движения початков кукурузы по наклонной поверхности
Теоретически установлено, что в начальный момент движения початок при касании с наклонной поверхностью может испытывать косой удар и пролетать некоторое расстояние, а затем происходит второе касание. Однако, как показал анализ закономерности перекатывания початка, после касания поверхности величина отражения от поверхности весьма незначительна и на процесс движения початка влияния практически не оказывают . В процессе проведения исследований было установлено, что зафиксировать процесс отражения при падении не удалось, так как скорости падения были незначительны.
Для исследования процесса перекатывания початков по наклонной поверхности была использована видеосъемка. Перекатывание початков исследовалось при изменении наклона нисходящей поверхности 30, 45 и 600, начальных скоростях касания 0,316; 0,662; 0,969 м/с и углах наклона восходящей поверхности (–5); 0; 5; 10; 150.
В результате проведенных исследований было установлено, что коэффициенты качения початков для различных поверхностей отличаются на значительные величины от 0,003 м до 0,021 м.
Результаты исследования зависимости скорости перекатывания початков от коэффициентов качения початков в обертках и без оберток представлены графически (рисунок 3.8).
Анализ графиков 3.8 дает основание сделать вывод о том, что наклонная поверхность может быть использована для разделения початков кукурузы на очищенные и неочищенные при условии, если шероховатость будет обеспечивать коэффициенты качения fк не меньше 0,005 м. При этом перемещение початков будет сопровождаться торможением. Уменьшение наклона плоскости резко тормозит перемещение початков, которые тем быстрее уменьшат свою скорость, чем меньше наклон.
В результате исследования влияния величины наклона восходящей поверхности на скорость перекатывания початка установили, что начальная скорость при падении на наклонную поверхность початков не должна превышать 0,3 м/с (рисунок 3.9).
При скоростях больше отмеченной приводит к резкому увеличению скорости перекатывания початков по наклонной (рисунок 3.9, кривые 2, 3). Определение времени перекатывания початков по восходящей наклонной поверхности до полной их остановки позволяет выбирать геометрические параметры установки для сортирования початков. Для этого исследовали зависимость времени торможения от начальной скорости перекатывания початков по наклонной поверхности (рисунок 3.10). выполнили сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных изменения времени качения неочищенных и очищенных початков по наклонной поверхности от начальной скорости.
В результате установили, что время торможения початков до полной остановки будет тем меньше, чем больше значение угла наклона поверхности. Таким образом, из того перечня материалов, по которым определены коэффициенты трения качения, наиболее приемлемыми являются: кожа и искусственное волокно при начальной скорости качения початков от 0,3 м/с.
По результатам анализа определили, что скорость очищенных початков нарастает интенсивнее, чем скорость неочищенных. Это создает возможность использовать наклонную поверхность для разделения початков по шероховатости.
Эмпирические зависимости времени остановки початков на восходящей плоскости имеют вид: при начальной скорости v = 0,316 м/с
В результате анализа результатов исследования было установлено, что при изменении наклона плоскости от 00 до 300 как теоретические, так и экспериментальные результаты имеют идентичный характер. Отличие теоретических и экспериментальных значения составляет 5-7 %.
Проведенный анализ графиков (рисунки 3.8-3.10) перемещения початков по наклонной поверхности в зависимости от угла наклона и начальной скорости перекатывания, угла наклона восходящей поверхности, шероховатости наклонной поверхности, состояния поверхности початка и размерной характеристики початков дает основание сделать вывод о том, что наклонная поверхность может быть использована для разделения початков на очищенные и неочищенные [58, 59].
На рисунке 3.11 приведены результаты покадровой обработки видеосъемки перекатывания початков по поверхности с искусственным материалом.
Уточнение основных параметров установки для сортирования початков методом планирования эксперимента
Математическая модель установки для разделения початков при планировании эксперимента описывалась полиномом второго порядка вида
Поскольку число значимых факторов принято равное трем, то проведен полный факторный эксперимент.
В соответствии с принятым количеством значимых факторов была составлена матрица центрального композиционного плана второго порядка для разделителя початков (таблица 3.1).
После реализации эксперимента выполнялся расчет коэффициентов регрессии bo, bh by, bu и их дисперсий по общепринятой методике [8, 87, 97]. Значимость различия Ь0 - у0 и коэффициентов регрессии bt и by проверяли по критериям Стьюдента (/-критерию) и Фишера.
Дифференцируя уравнение (3.7) и вычисляя корни, определяли значения критериев оптимизации в оптимальной точке ys и проводили натурализацию закодированных факторов и изучение поверхностей отклика.
После реализации матрицы планирования были определены коэффициенты регрессии и уравнение (3.7) приняло вид: п = 79,01 + 2,829-v + 3,075-р +38,5-у - 0,375-vf + 0,125-vy + 1,125-р-у " - 2,09-v2 - 2,797-p2 - 15,52572 (3.9)
После получения адекватной математической модели второго порядка вычисляли координаты оптимума по формуле (3.8). Y = 105,546 – 2,09X12 – 2,772X22 – 15,55X32 , = 2,526. (3.10)
Для установки по сортированию початков в соответствии с принятым количеством значимых факторов была составлена матрица планирования, в которой заложены нормализированные значения и критерии оптимизации по каждому опыту.
После сравнения значений коэффициентов регрессии с абсолютной величиной их доверительного интервала пришли к выводу, что на показатели сортирования початков оказывают существенное влияние как линейные эффекты, так и их взаимодействия и квадратуры.
Для адекватности представления результатов эксперимента полиномом второй степени определяли расчетные значения критерия Фишера для пятипроцентного уровня значимости. Табличное F0,05 = 4,6 превысило расчетное Fp = 0,585 значение и поэтому принятая модель являлась адекватной.
Оценка модели по t-критерию показала, что табличное значение больше расчетного tp и можно говорить об адекватности исследуемой модели с коэффициентом доверительной вероятности большей, чем выбранное его значение, равное 0,95.
Оптимальные параметры технологического процесса установки по сортированию початков должны отвечать следующим условиям: начальная скорость качения початка не должно превышать 0,44 м/с, наклон восходящей поверхности = 7,540, остаточное покрытие початка оберточными листьями не должно превышать = 10,10.
Таким образом, основными факторами, влияющими на процесс разделения очищенных и неочищенных початков, являются наклон восходящей плоскости и охват початка оберточными листьями. Поэтому нами проведен полный анализ всех возможных двумерных сечений поверхностей откликов, характеризующих качество разделения початков. Графическая интерпретация уравнения (3.7) при постоянных значениях V, и в различных сочетаниях представлена на рисунках 3.20-3.22.
Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее количество выделенных початков с оберткой при разделении вороха (рисунок 3.20), рассматривали при = 130 и угле поворота осей = – 13,971.
Анализ результатов поверхности отклика при принятых параметрах показал, что оптимум процесса, когда до 100% початков неочищенных, т. е. имеющих на своей поверхности покрытие обертками на 130 и более выделяются как неочищенные полностью, будет при v = 0,43 м/с и = 7,540. Такой режим работы установки початков соответствует исходным требованиям по сортированию початков.
Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее разделение початков на очищенные и неочищенные в зависимости от начальной скорости перекатывания v и угла охвата початка оберткой (рисунок 3.21), рассматривали при = 50 и угле поворота осей = 0,2670.
В результате анализа результатов поверхности отклика при принятых параметрах установили, что оптимум процесса, когда до 100% початков, определенных как неочищенные, выделяются из вороха достигается при скорости v = 0,44 м/с и покрытии початка оберткой на = 6,10.
Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее выделение початков из вороха при (рисунок 3.22), рассматривали при v = 0,3 м/с и угле поворота осей = 0,267.
В результате анализа поверхности отклика установлено, что оптимум, когда 100% початков неочищенных выделяется из вороха будет при = 15,540 и скорости качения на восходящей плоскости v = 0,385 м/с.
Параметры рабочего режима разделителя початков, когда выделяется до 100% початков в соответствии с исходными требованиями, должны соответствовать следующим оптимальным значениям: начальной скорости качения початков по наклонной поверхности не более v = 0,44 м/с , угла наклона восходящей плоскости не более = 6,10; покрытие початка оберточными листьями не более = 60.