Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 .Агротехнические требования к картофелесортировальным машинам 11
1.2. Обзор существующих машин для сортирования картофеля 14
1.2.1. Типы машин для сортирования картофеля 14
1.2.2. Картофелесортировальные машины плоско-решетного типа (грохоные) 15
1.2.3. Картофелесортировальные машины барабанного типа 18
1.2.4. Картофелесортировальные машины транспортерного типа 19
1.2.5. Роликово-валиковые картофелесортировальные машины 22
1.3.Классификация и анализ конструкций картофелесортировок
барабанного типа 23
Выводы 31
1.4. Цель и задачи исследований 32
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса работы барабанной картофелесортировки 33
2.1. Выбор объекта исследования 33
2.1.1. Способы выделения фракций 33
2.1.2. Схема барабанной картофелесортировки с последовательным сортированием фракций 34
2.1.3. Схема барабанной картофелесортировки с параллельным сортированием фракций..; 36
2.2. Обоснование параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки г, 38
2.2.1. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня 38
2.2.2. Определение предельного угла подъема клубней на поверхности грани барабана 42
2.2.3. Зона скатывания клубней 45
2.2.4. Уравнения движения клубня по внутренней поверхности барабана 46
2.2.5. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия прохождения клубня сквозь отверстия 50
2.2.6. Обоснование параметров барабана - диаметра D, длины L и удельной производительности q 55
2.2.7. Обоснование размеров калибрующих квадратных отверстий 57
2.3.Определение объемов выходов фракций при сортировании 58
2.4. Определение теоретической функции распределения массы клубней картофеля 66
Выводы 68
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1. Программа экспериментальных исследований 69
3.2. Методика экспериментальных исследований 70
3.2.1. Определение физико-механических свойств клубней картофеля...70
3.2.2. Методика проведения однофакторных экспериментов 73
3.2.2.1 Экспериментальные установки 73
3.2.2.2. Определение производительности картофелесортировки 79
3.2.2.3. Определение точности сортирования 79
3.2.2.4. Определение степени повреждения клубней картофеля 80
3.2.3. Методика планирования многофакторного эксперимента 81
3.2.3.1. Лабараторная установка г, 81
3.2.3.2. Обработка результатов планирования эксперимента 84
3.2.4. Определение энергетических показателей модернизированной экспериментальной картофелесортировки 89
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 91
4.1. Физико-механические свойства клубней картофеля 91
4.2. Результаты однофакторных экспериментов 98
4.2.1. Результаты экспериментов картофелесортировки с последовательным сортированием фракций 98
4.2.1.1. Влияние частоты вращения барабана на точность сортирования клубней 98
4.2.1.2. Влияние угла наклона барабана на точность сортирования клубней 99
4.2.2. Точность сортирования клубней на установке с параллельным сортированием фракций 100
4.2.3. Результаты замеров производительности и степени повреждений.. 102
4.2.3.1. Установка с последовательным сортированием фракций 102
4.2.3.2. Установка с параллельным сортированием фракций 103
4.3. Результаты планирования эксперимента 104
В ы во ды 111
4.4. Результаты проверки картофелесортировальной машины в хозяйственных условиях 112
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность использования барабанной картофелесортировки 114
5.1. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с ручным сортированием 114
Выводы 121
5.2. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с барабанной картофелесортировкой фирмы «Grimme» 121
Выводы :. 127
Общие Выводы 128
Литература 130
- Роликово-валиковые картофелесортировальные машины
- Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня
- Программа экспериментальных исследований
- Результаты экспериментов картофелесортировки с последовательным сортированием фракций
Введение к работе
Актуальность темы. Картофель в России относится к важнейшим сельскохозяйственным культурам, обеспечивающим питание населения и продовольственную независимость страны.
В последние годы значимость картофеля как продовольственно-технической культуры подтверждается его стабильным спросом на рынке, несмотря на существенные изменения в картофелеводстве за последние 10...12 лет. Так, если в 80-е годы картофель производили крупные специализированные хозяйства с объемами посадочных площадей 100...300 га, то в настоящее время 86 % картофеля производится в неспециализированных личных подсобных и фермерских (крестьянских) хозяйствах с посадочными площадями до 50 га [68]. Уровень механизации работ в хозяйствах значительно снизился, выросли затраты при уборке, послеуборочной и предпосадочной обработке картофеля. Важное значение для получения высоких и стабильных урожаев картофеля является его посадка отсортированным на фракции посадочным материалом. Однако серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. В связи с этим вопрос необходимости создания эффективных малогабаритных картофелесортировальных машин производительностью до 3 т/ч имеет актуальное значение.
Среди известных устройств для разделения клубней картофеля на фракции барабанная картофелесортировка имеет наиболее простую конструкцию, но ее работа недостаточно изучена. Поэтому представляет научный и практический интерес изучение технологического процесса, обоснование параметров и
»
режимов работы барабанной сортировки картофеля.
Проведенные исследования явились составной частью работ Нижегородской ГСХА по теме НИОКР на 2000 - 2005 годы: Усовершенствование технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области.
7 . Работа выполнялась на основе тематического плана, утверждённого Учёным Советом Нижегородской государственной сельскохозяйственной
*
академии в 1997 г., по научно-исследовательской теме: «Разработка технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области».
Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью для фермерских (крестьянских) хозяйств.
Объект исследования. Технологический процесс и конструкция барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик, а также по частным методикам, разработанным с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием известных методов расчётов на ПЭВМ.
Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью (Свидетельство РФ на полезную модель № 26015), теоретически обоснованы размеры калибрующих отверстий для получения фракций соответствующих масс, получены уравнения, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Проведенные исследования позволили создать малогабаритную барабанную сортировку клубней картофеля с эластичной призматической
8 сортирующей поверхностью, обладающей точностью сортирования, соответствующей требованиям картофелепроизводителей и обосновать ее технологические режимы работы.
Экспериментальные образцы барабанных картофелесортировок изготовлены и внедрены в фермерском хозяйстве ООО «Волга» Балахнинского района Нижегородской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА (2001...2004 гг.) и Чувашской ГСХА (2003 г, приложение 4).
На защиту выносятся следующие положения;
1. Конструкция и принцип работы малогабаритной барабанной
картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей
поверхностью.
2. Теоретические зависимости, устанавливающие связь между
параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-
механические свойства клубней.
Теоретические соотношения картофеля во фракциях и функциональная зависимость плотности распределения массы клубней.
Результаты экспериментальных исследований.
Технико-экономическое обоснование целесообразности использования малогабаритной барабанной картофелесортировки в фермерских (крестьянских) хозяйствах
Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, 58 рисунков, 28 таблиц и 7 приложений. Список литературы включает 94 наименования, из них 2 на иностранном языке.
Роликово-валиковые картофелесортировальные машины
Роликово-валиковые сортировальные органы изготавливают с поперечными и продольными роликами.
Наиболее широкое распространение получили картофелесортировальные машины с поперечными вращающимися роликами. Такие карто-фелесортировки применяются в картофелесортировальных пунктах КСП-15В [31, 84]. Схема сортирующей поверхности картофе-лесортировки КСП-15В представлена на рисунке 1.6. Ворох клубней картофеля загрузочным транспортёром подаётся на дисковые батареи
или гладкие ролики рисунок 1.6. Схема сортирующей поверхности роликовой
1, где происходит картофелесортировки.
1 - гладкие ролики; 2 - ролики для отделения мелких клуб-очистка вороха от ней; 3 - ролики для отделения средних клубней; 4 - чистик мелких почвенных примесей. Перемещаясь сортируемый ворох поступает на блок роликов для отделения мелкой фракции 2, где через просветы проходят мелкие клубни, а средние и крупные клубни сходят с этих роликов и поступают на ролики отделения средней фракции 3. Эти ролики изготовлены таким образом, что образуемые соседними роликами просветы круглой формы имеют диаметр соответствующий ширине клубней максимальной массы входящих в среднюю фракцию. Клубни средней фракции проходят через просветы и отводятся из машины, а клубни крупной фракции сходят с роликовой поверхности.
Роликовые картофелесортировки имеют высокую производительность и точность сортирования, но при этом сильно повреждают клубни картофеля (около 20 % по массе)[21]. При налипании на калибрующие ролики почвы и растительных примесей изменяется конфигурация просветов, образованных вращающимися роликами, что приводит к резкому снижению точности калибрования. Для удаления с поверхности роликов почвы применяют чистики 4, но при прохождении через просветы клубни могут застревать между чистиками, что снижает сепарирующую способность поверхности и увеличивает повреждение клубней.
В результате дальнейшего развития и совершенствования рабочих органов появились различные опытные образцы комбинированных сортировальных машин, состоящих из известных типов простых сортировальных поверхностей, выполненных в определенном сочетании [21].
В картофелесортировках с комбинированными рабочими органами сочетаются сортирующие поверхности различных типов, например, ременная и роликовая, грохотная и роликовая и др.
Существующая в настоящее время классификация картофелесортировок барабанного типа не учитывает все конструкции сортировок. Поэтому нами предлагается новая классификация, в которую входят все известные конструкции барабанных картофелесортировок (рисунок 1.7).
Одной из первых конструкций картофелесортировок барабанного типа является картофелесортировка А. Гродзского (рисунок 1.8)[25, 39]. Конструкция барабана этой картофелесортировки выполнена в виде нескольких колец, укрепленных на общем валу с помощью крестовин. К кольцам изнутри прикреплены продольные планки, которые образуют цилиндрическую поверхность с отверстиями щелевого типа, параллельными оси барабана. Расстояние между планками в первой половине барабана (по ходу движения обрабатываемого материала) меньше, чем во второй и составляет соответственно 29 и 40 мм.
Вал барабана вращается в подшипниках, установленных на раме, расположенной под углом к горизонту. Привод вала барабана осуществляется вручную.
Под барабаном картофелесорти- Рисунок 1.8 Картофелесортировка А. Гродзского ровки установлены скатные лотки для приема соответствующих фракций. Картофелесортировка последовательно разделяет клубненосную массу картофеля на три фракции. Проходом через первую половину барабана идет мелкая фракция, через вторую - средняя и выход с поверхности барабана — крупная фракция. При помощи четырех рабочих на этой машина можно отсортировать в течение дня до 700 пудов картофеля, то есть производительность картофе- лесортировки составляет 1,6 лесортировка с последовательным сортированием фракций была создана бр. Лессср (рисунок 1.9). Рабочая поверхность барабана сортировки выполнена из спирально намотанной проволоки и имеет длину свыше 2 метров и диаметр 0,665 м. Просветы рабочей поверхности данной сортировки также щелевого типа.
Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня
Барабанная сортировка картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью является разновидностью барабанных картофелесорти-ровок. Рабочим органом этой сортировки служит вращающийся барабан в форме шести или восьмигранной призмы с натянутыми на внутренней поверхности капроновыми сетками с ячейками для разделения клубненосной массы на фракции в соответствие с технологическим процессом предпосадочной подготовки семенного материала, регламентируемым республиканским стандартом РСТ РСФСР 749-90.
Наблюдения за рабочим процессом призматической сортировки картофеля позволили выявить различные виды движения клубней, находящихся на внутренней поверхности призматического барабана.
Движения клубня картофеля как материальной точки по внутренней призматической поверхности аналогичны движениям материальной точки по цилиндрической поверхности барабана, но имеют свои особенности.
По отношению к поверхности барабана точка может находиться в относительном покое, вращаясь вместе с барабаном, или быть в движении, перемещаясь по поверхности с относительной скоростью.
Скорость Va абсолютного движения точки складывается из скорости Vn переносного движения (скорости самого барабана) и скорости V0 относительного движения [71]: /
Va = Vn + V0 (2.1) При относительном покое (Vo = 0) и равномерном вращении барабана
Va = Vn = const (2.2).
Допустимая частота вращения призматического барабана сортировки определялась следующим образом. Из схемы (рисунок 2.5) видно, что на клубень, находящийся на внутренней поверхности грани призмы, вращающейся относительно горизонтальной оси О с угловой скоростью со действуют силы [45]: сила тяжести клубня G = mg, центробежная
Рисунок 2.5. Схема к определению допустимой частоты вращения призматического барабана сортировки.
сила J = mco2R, сила давления поверхности на клубень N, направленная по нормали к поверхности грани и сила трения FTp , направленная в сторону противоположную возможному перемещению клубня [36]. (2.3) (2.4)
Положение клубня определяется углом /? и радиусом R. Линейная скорость клубня V, м/с выражается формулой:
Считая клубень как материальную точку а, положение которой на внутренней поверхности барабана определяется положением грани АВ (углами а и Р) (рисунок 2.7) составим уравнение
движения точки по внутренней призматической поверхности барабана в момент начала относительного движения (точка начинает скользить). Положительным примем угол против часовой стрелки, а отрицательным - по часовой стрелке.
Будем считать, что скорость переносного движения совпадает с положительным направлением отсчета углов.
Допустим, что коэффициент трения точки о поверхность барабана постоянный (не зависит от скорости ее движения Рисунок 2.7 Силы, действующие на частицу при ее движении. и давления) и что коэффициенты трения покоя и движения точки равны.
Рассмотрим силы, действующие на точку при ее абсолютном движении по барабану, когда относительная скорость точки не равна нулю.
На точку а будет действовать сила тяжести G = mg, нормальная реакция поверхности N, сила трения F = JN = (tgcp)N. К этим силам, следуя принципу Аламбера, добавим тангенциальную силу инерции [71]:
Программа экспериментальных исследований
На основании поставленных в работе задач, целью экспериментальных исследований являлось:
- определение оптимальных конструктивных и технологических параметров картофелесортировки барабанного типа;
,- проверка и уточнение обоснованных аналитических зависимостей технологического процесса калибрования клубней картофеля;
- исследование некоторых физико-механических свойств клубней картофеля;
изучение влияния параметров картофелесортировки на качество разделения клубней; определение производительности и качественных показателей работы барабанной картофелесортировки.
Основными показателями работы картофелесортировок являются производительность и качество сортирования [43, 44]. Качество сортирования характеризуется коэффициентом точности сортирования и степенью механических повреждений клубней картофеля. Для изучения технологического процесса работы сортирования картофеля необходимо выполнить следующее:
- разработать опытные образцы картофелесортировальных машин с различи ными конструктивно-технологическими схемами и поисковыми опытами выбрать рациональную схему барабанной картофелесортировки;
- провести однофакторные эксперименты пр изучению влияния различных параметров и режимов работы картофелесортировки на качество сортирования;
- определить производительность и степень повреждения клубней картофеля картофелесортировкой; - провести испытания картофелесортировки в хозяйственных условиях;
- изучить некоторые свойства физико-механических клубней картофеля:
- определить размерно-массовую характеристику клубней картофеля;
- определить коэффициент трения по сетчатой, стальной и деревянной поверхностям.
Используя результаты проведённых однофакторных испытаний произвести модернизацию экспериментальной барабанной картофелесортировки, что позволит:
- изучить влияние различных параметров и режимов работы картофелесортировки на качество сортирования, применив теорию планирования эксперимента, определив при этом оптимальное их сочетание;
- провести контроль качества выполнения технологического процесса, в соответствии с установленными агротехническими требованиями.
Методика экспериментальных исследований 3.2.1. Определение физико-механических свойств клубней картофеля
Рабочие органы машин для возделывания, уборки и послеуборочной обработки картофеля разрабатываются с учётом показателей физико-механических свойств клубней картофеля.
Клубни картофеля характеризуются несколькими основными показателями: формой, геометрическими размерами, массой и коэффициентом трения.
Для изучения формы, был определен коэффициент формы клубней (Кф). Е.А. Глухих предложил характеризовать клубни всеми тремя размерами [72], по трём взаимно перпендикулярным направлениям, введя дополнительные ко эффициенты: &i=a/b и z=alc. Тогда Кф = & 02 или
Академик В.П. Горячкин, изучая вопросы сортирования картофеля, установил зависимость массы (г) от линейных размеров (мм) клубней [16], которая рассчитывается по формуле (2.74).
Для определенного сорта картофеля акад. В.П. Горячкин получил следующие зависимости:
= 0,0005-( ) = 0,01048-я2,0599 =0,0003048-63,22246 =0,00066-с3 15051 (3.2)
Коэффициенты уравнения (2.74) и коэффициенты формы клубней были определены для сортов картофеля «Невский» и «Удача». При этом у каждого клубня с точностью до 1 мм были измерялись длина а, ширина Ъ и толщина с штангенциркулем ШЦ-1. С точностью до 0,1 г определялясь масса т каждого клубня на весах В ЛТК —500. Объём выборки составил 300 клубней. Результаты фиксировались и заносились в таблицу. Размерно-массовая характеристика обрабатывалась методом математической статистики с применением компьютерной программы Microsoft Exel (таблицы 4.1 и 4.2).
Результаты экспериментов картофелесортировки с последовательным сортированием фракций
Для определения влияния частоты вращения барабана на точность сортирования клубней картофеля на лабораторной установке, описанной в пункте 3.2.2.1 в соответствии с методикой проведения однофакторного эксперимента, изменялась частота вращения барабана п (таблица 3.2) и при каждой частоте п определялся коэффициент точности сортирования по фракциям и по машине в целом. Коэффициент точности сортирования определялся по формулам (3.6) и (3.7). В приложении 5 для примера приведены данные одного опыта замеров массы клубней при определенной частоте вращения барабана. В качестве требований к фракциям брались массы, полученные расчетным способом по зависимости, приведенной на рисунке 2.17 при значениях ячеек / = 35 мм и / = 45 мм, которые получились соответственно m = 27 г и m = 57 г. Результаты расчета коэффициента точности сортирования сведены в таблицу 4.6.
По данным таблицы 4.6 были отмечены соответствующие точки в двух осях — коэффициента точности сортирования и частоты, и построены линии тренда. Получились кривые изменения коэффициента точности сортирования к от частоты вращения барабана п для мелкой, средней и крупной фракций (рисунок 4.5).
Из рисунка 4.5 видно, что для мелкой фракции коэффициент точности сортирования достигает максимума при частоте примерно равной 9,5 мин 1, для средней -при 12 мин 1, для крупной - при сортирования для средней фрак-ции меньше, чем для мелкой и крупной, так как в среднюю фракцию попадают клубни из мелкой и крупной фракции, а в мелкую и крупную фракцию попадают клубни только средней фракции.
. Влияние угла наклона барабана на точность сортирования клубней
Для определения влияния угла наклона барабана на точность сортирования клубней картофеля на лабораторной установке, описанной в пункте 3.2.2.1 в соответствии с методикой проведения однофакторного эксперимента, изменялся угол наклона барабана к горизонту а и при каждом значении угла а опре-делялся коэффициент точности сортирования по фракциям и по машине в целом. В приложении 6 приведен пример одного опыта для определения влияния угла наклона барабана. Результаты расчета коэффициента точности сортирования сведены в таблицу 4.7.
Для определения влияния угла наклона барабана на точность сортирования клубней картофеля на лабораторной установке, описанной в пункте 3.2.2.1 в соответствии с методикой проведения однофакторного эксперимента, изменялся угол наклона барабана к горизонту а и при каждом значении угла а опре-делялся коэффициент точности сортирования по фракциям и по машине в целом. В приложении 6 приведен пример одного опыта для определения влияния угла наклона барабана. Результаты расчета коэффициента точности сортирования сведены в таблицу 4.7.
На рисунке 4.6 показаны графические зависимости коэффициента точности сортирования к от угла наклона барабана к горизонту а для мелкой, средней и крупной фракций. чился при угле наклона барабана к горизонту а = 4.
Точность сортирования клубней на установке с параллельным сортированием фракций
Для определения влияния частоты вращения барабана на точность сортирования клубней картофеля на лабораторной установке, описанной в пункте в соответствии с методикой проведения однофакторного эксперимента, изменялась частота вращения барабана п (таблица 3.3) и при каждой частоте п определялся коэффициент точности сортирования по фракциям и по машине в целом.
Результаты расчета коэффициента точности сортирования сведены в таблицу 4.8.
На рисунке 4.7 показаны графические зависимости коэффициента точности сортирования к от частоты вращения барабана п для мелкой, средней и крупной фракции.
Из рисунка видно, что для мелкой фракции коэффициент точности сортирования достигает максимума при частоте примерно равной 10 мин 1, для сред ней - при 10,8 мин"1, для крупной - при 8,1 мин"1.
На рисунке 4.8. показаны зависимости коэффициента точности сортирования к по машине в целом от частоты вращения барабана п для установок с последовательным и параллельным сортированием фракций.
Рисунок 4.8 показывает, что точность сортирования клубней картофеля в целом по машине с последовательным сортированием выше, чем для машины с параллельным сортированием фракций. Объясняется это тем, что мелкая и средняя фракции не успевают пройти сквозь отверстия ячеек и поступают сходом с соответствующей поверхности, то есть в крупную фракцию попадает больше средней фракции; в среднюю — мелкой фракции.
