Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса. классификация выделителей семян и их отделяющих аппаратов. цели и задачи исследования 9
1.1. Общие положения 9
1.2. Выделители семян с отделяющими аппаратами ударного воздействия 10
1.3. Выделители семян с отделяющими аппаратами истирающего воздействия 15
1.4. Краткий обзор исследований 21
1.5. Обоснование технологической схемы выделителя семян и выбор отделяющего аппарата 29
Выводы 37
Цели и задачи исследований .v 38
2. Аналитическое исследование рабочего процесса щеточного отделяющего аппарата 40
2.1. Общие положения 40
2.2. Угол отклонения ножевой решетки 40
2.3. Взаимодействие вороха с первой щеткой нижнего блока 42
2.4. Частота вращения первой щетки нижнего блока 45
2.5. Взаимодействие вороха с последующими щетками отделяющего аппарата 49
2.6. Допустимая скорость соударения рабочих органов с частями плода 54
2.7. Мощность на привод рабочих органов выделителя семян 5^
2.7.1, Мощность на процесс измельчения плодовножевой решеткой .*... 57
2.7.2. Мощность на холостой ход щеточного аппарата 65
2.8. Массовая производительность рабочих органов 66
Выводы 69
CLASS 3. Методика экспериментальных исследований 7 CLASS 1
3.1. Программа исследований 71
3.2. Общая методика экспериментальных исследований 72
3.3. Условия и объекты исследования 73
3.4. Технические средства, применяемые при проведении экспериментальных исследований 73
3.5. Измерительные устройства 82
3.6. Методика экспериментального исследования физико--механических свойств мякоти и семян тыквы 83
3.7. Методика обоснования жесткости упругих элементов и расстояния между ними в ряду 88
3.8. Методика определения энергетических показателей рабочего процесса 90
3.9. Обработка результатов однофакторных экспериментов 92
3.10. Методика экспериментального исследования процесса стесненного резания плодов тыквы 93
3.10.1. Предварительное изучение процесса резания 94
3.10.2. Выбор критерия оптимизации, отбор факторов и составление плана эксперимента при исследовании стесненного резания 94
3.10.3. Определение удельной работы резания плодов на маятниковом копре 97
3.11. Методика исследования основных технологических показателей рабочего процесса щеточного отделя ющего аппарата
3.11.1. Выбор критериев оптимизации и факторов.. 100
3.11.2. Обоснование начальных условий планирования и построение матрицы эксперимента 104
3.12. Обработка результатов многофакторных экспериментов 106
4. CLASS Экспериментальные исследования и анализ их результатов CLASS 109
4.1. Определение коэффициентов трения различных частей тыквы 109
4.2. Модули упругости и разрушающие напряжение мякоти и семян ИЗ
4.3. Плотность мякоти, семян вороха измельченных плодов 116
4.4. Исследование процесса стесненного резания и оптимизация параметров ножей ножевой решетки 117
4.4.1. Результаты предварительного изучения процесса 117
4.4.2. Анализ математической модели процесса стесненного резания 119
4.5. Обоснование жесткости упругих элементов и расстояние между ними в ряду 124
4.6. Оптимизация процесса отделения семян от мякоти щеточным отделяющим аппаратом 127
4.7. Состав вороха измельченных плодов 138
4.8. Энергетические показатели рабочего процесса 141 Выводы 151
5 CLASS Реализация результатов исследовани CLASS й 155
5.1. Методика инженерного расчета щеточного отделяющего аппарата 155
5.2. Технико-экономическое обоснование выделителя семян со щеточным отделяющим аппаратом , 158
Выводы 163
Общие выводы и практические рекомеццации 164
Литература 168
Приложения 179
- Выделители семян с отделяющими аппаратами ударного воздействия
- Угол отклонения ножевой решетки
- Технические средства, применяемые при проведении экспериментальных исследований
- Определение коэффициентов трения различных частей тыквы
Введение к работе
Главным направлением развития семеноводства, как отмечено в решениях ХХУІ съезда КПСС, является специализация и концентрация производства сортовых семян, перевод производства на промышленную основу /І/. В полной мере это относится к семеноводству бахчевых культур.
Продовольственной программой СССР на период до 1990 года поставлена задача существенно улучшить структуру питания, обеспечить рациональное научно обоснованное питание населения. Для этого необходимо, в частности, поднять к концу двенадцатой пятилетки потребление овощных и бахчевых культур на душу населения до 126 -135 кг /2/.
Решение этой задачи невозможно без дальнейшего развития бахчеводства.
Одной из самых ценных бахчевых культур является тыква. Мякоть её плодов в значительном количестве содержит углеводы, витамины, минеральные соли. Содержатся в тыкве и пектины, адсорбирующие токсичные вещества и способствующие выведению из организма человека холестерина.
Очень ценным свойством тыквы является её хорошая лежкость. При соблюдении весьма несложных правил хранения плоды тыквы могут храниться вплоть до нового урожая. Вследствие того, что тыквенные культуры возделываются с большими междурядьями и междугнездиями, они являются хорошими предшественниками и введение их в севооборот способствует сохранению и повышению плодородия земли.
Тыква - ценная кормовая культура. Она высокоурожайна - до 300-400 ц/га, хорошо силосуется. С использованием тыквы получают хороший комбинированный силос, а силос из тыквы содержит в
два раза больше протеина, чем традиционный кукурузный.
Большую ценность представляют и семена тыквы. Они богаты жирами, составляющими до 40$ массы семян, и используются для производства высококачественных пищевых масел, халвы. Кроме того, из семян тыквы вырабатываются лекарственные препараты, применяемые при лечении заболеваний печени и желчного пузыря.
В связи с этим, важное значение приобретает производство тыквенных культур и их семян. Однако, возделывание этих культур, и в частности, тыквы трудоемко. Существующие в настоящее время технологии возделывания, уборки и переработки тыквы на семена основаны преимущественно на применении ручного труда. В большинстве семеноводческих хозяйств наиболее трудоемкие операции: уборка тыквы, выборка семян, либо плаценты с семенами - производятся вручную, с применением простых приспособлений и инвентаря.
В результате - высокая себестоимость получаемой семенной продукции. Например, на Быковской бахчевой селекционной опытной станции за период 1976 - 1978 гг. себестоимость килограмма семян тыквы составила 5,60 - 5,80 рубля при закупочной цене 3,70 рубля / 3 /, т.е. производство семян этой ценной продукции оказалось убыточным,
В последнее время у нас в стране и за рубежом создано несколько образцов выделителей семян тыквенных культур с отделяющими аппаратами различных типов. Опыт их практического использования свидетельствует о том, что перспективными следует считать отделя-щие аппараты не ударного, а истирающего воздействия. Однако, существующие конструктивно-технологические решения таких типов выделителей не обеспечивают, особенно при переработке тыквы, эффективной и качественной работы: остаются низкими и не удовлетворяют агротехническим требованиям потери семян, мала производительность.
Недостаточность теоретических и экспериментальных результа-
7 тов сдерживает создание более совершенных выделителей семян с
рабочими органами подобного типа.
Разработке эффективного технологического процесса выделения семян тыквенных культур, обеспечивающего повышение производительности и снижение потерь семян, посвящена данная работа.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Проведен анализ технологических схем и конструкций отечественных и зарубежных выделителей семян различных типов, предложена классификация выделителей и их рабочих органов.
На основании ретроспективных исследований и результатов предварительных экспериментов предложен технологический процесс и конструктивно-технологическая схема выделителя семян тыквенных культур со щеточным отделяющим аппаратом. Конструкция данного выделителя защищена авторским свидетельством на изобретение.
Получены аналитические зависимости для определения геометрических и режимных параметров упругих щеток отделяющего аппарата и мощности на привод рабочих органов.
Исследован процесс динамического резания плодов тыквы в стесненных условиях, получена его математическая модель, интерпретация которой позволяет обосновать параметры ножей или штифтов рабочих органов различных типов.
С помощью методов математической теории планирования экспериментов найдены экспериментально-аналитические зависимости потерь семян и их повреждений от кинематических и геометрических параметров отделяющего аппарата. Анализом этих моделей на ЭЦВМ получены оптимальные значения основных параметров.
Исследованы энергетические показатели выделителя семян и фракционный состав вороха измельченных плодов.
Испытания выделителя семян со щеточным отделяющим аппаратом в хозяйственных условиях показали, что производительность
8 его по сравнению с серийным выделителем ВБЛ-20 увеличилась в
1,7 раза, в 3 - 4 раза снижены и удовлетворяют агротехническим
требованиям суммарные потери семян.
Работа.выполнена в Волгоградском сельскохозяйственном институте и Азово-Черноморском институте механизации сельского хозяйства в 1978 - 1983 гг.
Экспериментальные исследования проводились в опытно-производственном хозяйстве Быковской бахчевой селекционной опытной станции НИИОХ (Волгоградская обл.).
Выделители семян с отделяющими аппаратами ударного воздействия
Технологический цикл этих машин строится по схеме: измельчение плода и отделение семян от его мякоти. - разделение полученного вороха на фракции "семена" и "корка". В отделяющих аппаратах ударного воздействия разрушение плода и отделение семян протекают одновременно в процессе ударного воздействия на плод и совершаются одним рабочим органом: штифтовым или ножевым барабаном. Принцип действия таких аппаратов основан на том явлении, что каждый удар рабочего органа по плоду, приводящий к разрушению, сопровождается эффектом разрушения связей отдельных семян с мякотью, т.е. эффектом семявыделения.
По способу разделения полученного вороха измельченных плодов и семян выделители с отделяющими аппаратами ударного воздействия могут быть с разделением вороха протиркой, отстоем, во вращающемся барабане и на грохоте.
Выделители - протирки применяются, главным образом, для выделения семян из огурцов и томатов. Для дополнительной обработки полученных семян с целью очистки их от примесей мезги (мелкой мякоти и коры) протирочные машины находят широкое применение и в семеноводстве тыквенных.
К выделителям - отстойникам относится, например, машина для выделения семян арбузов и дынь СИС-5, широко применяющаяся в Болгарии /6,7/. Её технологический процесс включает две операции: интенсивное измельчение плодов с целью высвобождения семян и разделение полученного вороха флотацией в резервуаре - отстойнике. Семена оседают на дно, откуда периодически выбираются через люки, а всплывающая плодовая масса удаляется в канализацию.
Описанный способ неуниверсален, так как не может применяться для плодов с плотностью мякоти; и семян, меньшей плотности воды (например, тыквы). Кроме того, невозможен сбор ценного сока перерабатываемых плодов с целью дальнейшего его использования. Велики также потери семян, составляющие 16—1856 / 7 /.
Самую крупную и распространенную группу выделителей с отделяющими аппаратами ударного воздействия составляют выделители с разделением вороха на виброрешетном грохоте. Рабочие органы этих выделителей могут быть штифтового или ножевого типа.
Ножевые барабаны устанавливались на машине ВСД-3, представляющей собой усовершенствованный вариант машины сельского изобретателя И.П. Вирченко / 8 /. В ВИСХОМе машина эта усовершенствовалась в течение ряда лет группой ученых под руководством Г.П. Варламова /9, 10/. По результатам этих исследований был создан измельчитель бахчевых культур ИЕК-5, который широко применяется до настоящего времени у нас в стране и в социалистических странах с развитым бахчеводством /3, 5-7, 11-17/.
Технологический процесс ИЕК-5 заключается в следующем (рис. 1.2). Плоды вручную подаются в лоток I, по которому скатываются на гребенку подающего транспортера 2, подхватываются его ковшами и подаются в приемный бункер 3, откуда попадают в штифтовым отделяющий аппарат 4. Ворох измельченной барабаном массы поступает на грохот 5, где происходит разделение его на фракции "семена" и "корка". Последняя подается в отводящий транспортер 6, а выход "семена" (фракция прохода решета) обрабатывается в протирочном устройстве 7, откуда сок, мезга насосом 8 выводятся из машины. Отделяющий аппарат выделителя - штифтовый барабан с прутковой декой.
ИЕК-5 хорошо работает при переработке арбузов, дынь и огурцов, при выделении семян из "сухих" тыквенных культур его качественные показатели не удовлетворяют агротребованиям. В виду несоответствия пропускных способностей отделяющего аппарата и грохота велики потери семян с "корой", составляющие 16-52$ / 5 /.
К рассматриваемому типу выделителей относятся и машины, изготовленные и применяющиеся в ряде семеноводческих хозяйств страны /18-24/. Например, измельчитель-выделитель, внедренный в колхозе "40 лет Октября" Ставропольского края (рис.1.3) / 20 /.
Угол отклонения ножевой решетки
В основу изыскания оптимальных условий протекания рабочего процесса щеточного отделяющего аппарата положен принцип получения минимальных потерь и повреждений семян, максимальной их чистоты, а также высокой надежности технологического процесса.
С целью получения более строгих аналитических результатов в ходе исследований принимались следующие основные допущения: 1. Упругие элементы щеток рассматриваются как брусья малой жесткости. 2. Ломти мякоти плодов, получаемые при разрезании ножевой решеткой, представляются в виде цилиндров с площадью основания, равной площади основания реальных призматических тел, и высотой, равной высоте последних. Радиус основания определяется в этом случае как эквивалентный: r Ор - меньшее межножевое расстояние ножевой решетки, м. Высота эквивалентных цилиндрических тел равна большему межножевому расстоянию ножевой решетки. 3. Мякоть и семена являются абсолютно упругими телами, сжатие которых в пределах упругих деформаций подчиняется закону Гука. 4. Плоды имеют сферическую форму. Угол отклонения ножевой решетки Важным элементом рабочего процесса отделяющего аппарата яв ляется разрезание плодов на ломти ножевой решеткой. С увеличением угла отклонения возникает возможность нарушения условия защемления перерабатываемых плодов, что приведет к снижению производительности выделителя, нарушению технологического процесса.
Для обоснования предельного угла отклонения ножевой решетки от плиты противодавления Хтак рассмотрим условие защемления плода в рабочем створе ножевой решетки, когда плод диаметром защемляется между лезвием одного из вертикальных ножей решетки и плитой противодавления (рис.2.1).
На плод действуют следующие внешние силы: нормальные реакции со стороны плиты противодавления А и вертикального ножа Nz , сила веса плода П)о и силы трения /Л/ и / ЛЛ , обусловленные действием нормальных реакций Л и д . Коэффициенты трения /, и /V в общем случае различны.
Запишем условие равновесия плода в проекции на оси ОХ и О У , направленные, как показано на рисунке. г Решение тригонометрического уравнения (2.7) имеет вид: (,2.8) Условие (2.8) получено для случая защемления плода между плитой противодавления и вертикальным ножом. В реальных условиях происходит западание плодов в ячейки ножевой решетки, что способствует защемлению, т.е. выполнение условия (2.8) гарантирует полное защемление плодов в рабочем створе ножевой решетки.
При заданном угле отклонения ножевой решетки высота её должна быть таковой, чтобы обеспечивался захват и полное разрезание плодов максимального диаметра Лтак
Из геометрических соображений (рис.2.1) высота ножевой решетки определяется выражением:
Части разрезанных ножевой решеткой плодов осыпаются на наклонное днище бункера и оттуда поступают на упругие элементы первой щетки нижнего блока, подхватываются ею и направляются в рабочий зазор отделяющего аппарата, где подвергаются интенсивному воздействию упругих элементов первой щетки верхнего блока, а затем и второй щетки нижнего блока (рис.1.10).
Таким образом, основное назначение первой щетки - прием вороха и подача его в рабочий зазор. Однако, щетка может также оказывать истирающее воздействие на ломти, попадающие в зазор между вертикальной передней стенкой бункера и ею, способствуя многократной обработке вороха и более полному отделению семян. Поэтому она должна быть снабжена упругими элементами.
Попадая на упругие элементы щетки, части вороха под действием собственного веса погружаются в неё. Максимальной глубина погружения будет в момент, когда ломти займут положение, при котором действие их веса направлено вдоль биссектрисы угла раствора между соседними рядами элементов (рис.2.2).
Технические средства, применяемые при проведении экспериментальных исследований
Любое научное исследование включает несколько этапов, из которых основными являются: определение цели и выбор объекта исследования, изучение состояния вопроса, современного уровня развития науки и техники в данной области, анализ информации и получение выводов, разработка рабочей гипотезы, её проверка /63/.
Промежуточные результаты, полученные на этапах исследования, подвергались математической обработке и тщательному анализу, который позволял правильно оценить сложившуюся ситуацию и в ряде случаев корректировать его генеральное направление, как в методическом, так и в техническом отношениях.
Оценка качественных показателей рабочего процесса щеточного выделителя семян тыквенных культур производилась по методике и в соответствие с требованиями ОСТ 70.10.8-74 "Машины для выделения семян овощных и бахчевых культур. Программа и методы испытаний", расчет экономической эффективности исследуемого технологического процесса производился по методике ВИСХСМ /78,79/.
Для проведения других экспериментальных исследований были разработаны частные методики, описываемые ниже.
В процессе исследований использовались современные методы измерения и регистрирования измеряемых величин и аппаратура: тензо-метрирование с записью показаний .датчиков шлейфовым осциллографом, запись потребляемой мощности с помощью самопишущего ваттметра и т.д.
При обработке экспериментальных данных и оценке результатов опытов применялись различные методы математической статистики: оценка достоверности результатов, проверка статистических гипотез, регрессионный анализ.
Экспериментальные исследования проводились на базе опытного хозяйства Быковской бахчевой опытной станции НЙИОХ в 1978-81 гг. Она расположена на Левобережье Волжского водохранилища и имеет типичные для богарного бахчеводства почвенно-климатические условия.
Ваковская быхчевая опытная станция является основным производителем и поставщиком высококлассных семян тыквы в РСФСР. Около 70$ потребности бахчеводства республики в суперэлитных и элитных семенах тыквы удовлетворяется за счет станции. Основными сортами являются Волжская серая 92 и Крупноплодная I. Эти сорта получили широкое распространение в основных бахчесеющих районах нашей страны: Нижнем Поволжье, Южной Украине, Северном Кавказе.
В ходе экспериментов использовались плоды тыквы обоих сортов с индексом формы 0,65-0,95, средний размер плодов Э = 0,337 мм, средняя масса 7,73 кг, массовая доля семян в плодах - 3,2-3,6$.
При экспериментальных исследованиях изучались технологические приемы и рабочие органы, теоретически обоснованные во второй главе.
В соответствии с программой экспериментальных исследований определялись коэффициенты трения мякоти тыквы по различным конструкционным материалам и влияние на их значения различных факторов. Лабораторная установка для определения статических коэффициентов трения (рис.3.1) включала динамограф-работомер ДР-100 конструкции ВИСКОМ, подставку для установки фрагмента поверхности трения, тележку с цилиндрическими гнездами для установки образцов мякоти тыквы. Имелось две тележки с гнездами различного диаметра (35 и 20 мм) для изменения в ходе опытов площадки контакта /80/.
Коэффициенты трения движения мякоти, сырых семян и плаценты с семенами (содержимого семенной полости) по обработанной стали для сортов тыквы Волжская серая 92, Крупноплодная I и Витаминная определялись с помощью прибора акад. В.А. Желиговского.
Для определения модулей упругости и разрушающих напряжений сжатия семян и мякоти также использовался работомер ДР-100 с закрепленными на штоке пуансоном.
В ходе экспериментальных исследований изучался процесс стесненного резания плодов тыквы, определялся характер влияния скорости резания, утла заточки ножа, толщины режущей кромки ножа и угла его наклона. Эти опыты проводились на специально спроектированном и изготовленном маятниковом копре.
Определение коэффициентов трения различных частей тыквы
В ходе исследований изучалось поведение под нагружением мякоти различных частей плода: периферийной и цветоложе-плодоножко-вой (в зоне цветоложи и плодоножки).
Результаты экспериментов по исследованию упругих свойств мякоти тыквы показали, что при нагружении деформация образца возра стает до некоторого предельного значения (см.рис,3.8), после чего наступает почти мгновенное разрушение образца.
Зависимость напряжения сжатия от относительной деформации (р -J { ) (рис.4.3), т.е. закон сжатия исследуемых образцов имеет явно выраженный линейный участок, площадка текучести материала отсутствует. Таким образом, мякоть тыквы под нагружением ведет себя как хрупкий материал. Очевидно также, что в пределах упругих её свойств может быть применен закон Гука: где Ем - модуль упругости (Юнга), Н/м .
Полученные результаты подтверждают гипотезу о применимости закона 1 ука к сжатию мякоти тыквы, выдвинутую в аналитической части исследования.
Анализ законов нагружения показывает, что мякоть изучаемых частей плода имеет разную прочность, хотя разрушение образцов происходило при одной относительной деформации -=0,30-0,32. Предельные разрушающие напряжения сжатия для периферийной и цве-толоже-плодоножковой части плода имеют соответственно следующие значения /80/: &р, = (6,2 - 6,7). Ю5 Н/м2 ($рг = (8,1 - 8,9). Ю5 Ц/м2.
В ходе дальнейших исследований было установлено, что напряжения сжатия образцов зависят от времени приложения нагрузки при постоянной деформации, т.е. релаксируют, поэтому модуль упругости зависит от характера нагружения. Поскольку рабочие органы выделителей семян воздействуют на мякоть плодов в течение короткого времени, то определялись мгновенные модули упругости, которые для периферийной и цветоложе-плодоножковой частей равны соответственно: = 21,0 х ІО5 Н/м2; Ємг= 27,1 х ІО5 Н/м2.
На основании изложенных данных можно сделать вывод, что прочностные характеристики мякоти изучаемых частей плода тыквы различны: мякоть цветоложе-плодоножковых частей намного прочнее мякоти периферийной части. Это может указать на рациональный, с энергетической точки зрения, способ разрезания плодов. Результаты экспериментов показали также, что сжатие оболочки сырых семян также подчиняется закону Гука. При этом модуль упру 7 2 гости семян с =(14,9-15,3)»10 Н/м , а предельные разрушающие . 6 2 напряжения равны ОрС- (10,3-10,7)«10 Н/м . По результатам опытов плотность мякоти тыквы у коры равна 3 з /? =(0,87 - 0,88)»10 кг/м , а у семенной полости З з рмс =(0,74 - 0,75)«10 кг/м . Таким образом, эти части мякоти более плотные и, следовательно, более прочные. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе допустимых скоростей соударения мякоти и рабочих элементов выделителя. 3 Плотность семян тыквы находится в пределах (0,70-0,72)«10 кг/м3.
Анализ приведенных данных показывает, что плотности мякоти и семян значительно меньше единицы, при этом они разнятся несущественно. Поэтому разделение вороха измельченных плодов "сухих" тыквенных культур на "семена" и "кору", а также очистка фракции "семена" от мелкой крошки флотационными методами невозможны.
Другие способы очистки сложны, дорогостоящи и малоэффективны. В этой связи исследуемый технологический процесс должен обеспечивать рациональный состав вороха с минимальным содержанием мелких фракций. Этому способствует применение упругих рабочих органов для отделения семян от мякоти, обоснованный выбор их геометрических параметров и кинематических режимов, применение ножевой решетки для предварительного измельчения плодов.
Плотность вороха измельченных ножевой решеткой плодов, определенная при Ьр =60 мм; hp =120 мм, находится в пределах J % = (0,46 - 0,60) Ю3 кг/м3.
Насыпная плотность плодов тыквы для исследуемого диапазона их 3 з размеров равна JJn =(0,42-0,48)«Ю кг/м . Опыты с закрепленным на штоке ДР-100 ножом показали, что резание мякоти тыквы происходит с образованием опережающей трещины и стружки и может быть отнесено к резанию резцом (рис.4,4), Для этого случая характерна меньшая роль режущей кромки в возбуждении резания, чем при резании волокнистых материалов и возрастание влияния граней резца, сдвигающих и деформирующих материал.
Осциллографирование процесса стесненного резания плодов при малых (0,4-0,5 м/с) скоростях позволило выявить особенности взаимодействия ножа с мякотью в стесненных условиях.
На осциллограмме (рис,4.5) явственно прослеживается процесс образования опережающей трещины. На участке А В происходит внедрение ножа в материал, сжатие его режущей кромкой ножа и гранями.
В момент, когда напряжения в материале превышают предельные разрушающие напряжения, происходит разрыв материала и образование опережающей трещины.
