Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. цель и задачи исследований 7
1.1 Применяемые линии и машины для послеуборочной обработки картофеля 7
1.2 Анализ конструкций рабочих органов для отделения комков почвы и примесей от клубней картофеля 16
1.3 Анализ конструкций рабочих органов сортировок для разделения клубней картофеля на фракции 22
1.4 Состояние исследований процессов сепарации почвы и сортирования клубней картофеля на фракции 32
1.5 Цель и задачи исследований 37
2 Теоретические исследования процессов отделения почвы от клубней и их сортирования на фракции с помощью транспортерного рабочего органа 40
3 Методика экспериментальных исследований 68
3.1 Программам методика исследований 68
3.2 Методика определения размерных характеристик клубней картофеля 68
3.3 Методика исследований процессов отделения комков почвы от клубней и сортирования клубней на фракции 69
3.4 Методика планирования экспериментальных исследований 73
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 77
4.1 Размерные и массовые характеристики клубней и комков почвы 77
4.2 Обоснование оптимальных параметров устройства 80
5 Производственные испытания, экономическая оценка результатов исследований и методика расчета поточной линии послеуборочной обработки картофеля 102
5.1 Производственные испытания линии послеуборочной обработки картофеля 102
5.2 Экономическая оценка результатов исследований 102
5.3 Методика расчета поточной линии послеуборочной обработки картофеля 107
Выводы 109
Список использованной литературы 111
Приложения 121
- Применяемые линии и машины для послеуборочной обработки картофеля
- Анализ конструкций рабочих органов для отделения комков почвы и примесей от клубней картофеля
- Методика определения размерных характеристик клубней картофеля
- Производственные испытания линии послеуборочной обработки картофеля
Введение к работе
В настоящее время в Российской Федерации и за рубежом всё шире внедряется механизация уборки картофеля с помощью картофелеуборочных комбайнов. Однако опыт эксплуатации картофелеуборочных комбайнов в различных зонах страны выявил и их недостатки при работе в тяжелых почвенных условиях. Так, наличие почвы и других примесей в ворохе картофеля, поступающем после уборки на обработку, может содержать до 60% различных примесей (почвы, растительных остатков и т.д.) при влажности почвы от 6 до 30% [65; 103]. При этом ворох содержит в основном почвенные комки размером, равным размеру клубней. Всё это не позволяет производить качественное отделение почвы и примесей на сортировальных пунктах. Кроме этого, существующие рабочие органы сортировальных машин не обеспечивают требуемой точности сортирования. В то же время, по данным ВНИИКХ, повреждение клубней на роликовых сортировках достигает 17,5... 18,7%, на ременных 1,5...3,6 %[57].
Как правило, существующие поточные линии послеуборочной обработки картофеля содержат и сепарирующие и сортировальные рабочие органы, что повышает металлоемкость и энергоемкость процесса послеуборочной обработки картофеля. В связи с этим, создание рабочего органа, который бы обеспечивал отделение почвы и других примесей от картофеля и его разделение на необходимые фракции, с качеством, соответствующим требованиям, является задачей актуальной и требующей своего решения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- разработанный на основании анализа способ разрушения комков почвы
в процессе их перемещения и сортирования клубней картофеля на фракции;
- полученные в результате теоретического анализа зависимости
пропускной способности сепарирующе-сортирующего рабочего органа, его
производительности на каждой из получаемых фракций, мощности,
б затрачиваемой на процессы сепарации почвы и сортирования клубней картофеля, выражение для определения времени разрушения комка почвы;
зависимости, установленные в результате экспериментальных исследований и оптимальные параметры устройства;
- методика расчета линии послеуборочной обработки картофеля.
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору, академику МААО, заслулсенному изобретателю РФ Доценко Сергею Михайловичу за ценные консультации и помощь в организации проведения данных исследований.
Применяемые линии и машины для послеуборочной обработки картофеля
В выполнении операций комплексной послеуборочной обработки картофеля используются машины общего и специального назначения. Как правило, они компануются в линии, обеспечивающие выполнение таких основных операций, как сепарация почвы и сортирование картофеля на фракции. Их используют в комплексе с несколькими комбайнами или машинами при поточном способе уборки. Как правило, такие линии сосредотачивают в картофелесортировальные пункты, которые предназначены для дополнительного отделения почвы, растительных остатков, некондиционного продукта, сортирования продукта на фракции и его подачи в тару или транспортные средства.
На рисунке 1.1 представлена схема классификации поточных технологических линий (ПТЛ) послеуборочной обработки картофеля.
По роду использования ПТЛ послеуборочной обработки картофеля можно разделить на передвижные и стационарные. По структуре потока - на однопоточные и многопоточные. По назначению линии подразделяются на сепарирующие, сортирующие и комбинированные. Все линии по конструкции рабочих органов базовых машин можно подразделить на линии с сепарирующими и сортирующими машинами, выполненные на основе решет, барабанов, роликов, транспортёров, дисков и т.д. (см. рисунок 1.1).
Сортировальные линии предназначены для работы в комплексе с уборочными машинами. Они удаляют почвенные примеси и растительные остатки из вороха картофеля, разделяют их на фракции и грузят в тару или на транспорт. Линии используют на первичной послеуборочной обработке, т.е. до закладки клубней на хранение, и на предпосадочной обработке клубней.
В настоящее время наибольшее распространение получили линии на базе картофелесортировального пункта КСП-15Б. Он является модернизацией пункта КСП-15. В нем, для более эффективной сепарации при отделении примесей и снижения затрат ручного труда, установлен дисковый сепаратор примесей с выносным транспортером, а загрузочный транспортер пруткового типа заменен на ленточный лопастной. Внесены конструктивные изменения в сортирующий рабочий орган, загрузочные транспортеры и ряд других узлов, что позволило повысить надежность работы машины.
Испытания пункта КСП-15Б показали, что дисковый сепаратор по сравнению со встряхивающей решеткой пункта КСП-15 позволил повысить эффективность выделения мелких почвенных примесей на 5...15% и снизить число обслуживающего персонала на 1... 2 человека. Показатели точности сортирования остались на прежнем уровне [65].
На базе пункта КСП-15Б во многих хозяйствах РФ монтируют стационарные картофелесортировальные пункты. Производительность таких пунктов 15...35 т/ч, а число приемных каналов у большинства пунктов 2...4. Практически все пункты имеют приемные бункера повышенной вместимости и бункера для отсортированных фракций, являющиеся компенсаторами на входе и на выходе.
Одним из примеров подобных пунктов является стационарный сортировальный пункт совхоза "Проводник" Московской области (рисунок 1.2) [40]. На пункте выполняются следующие операции: предварительное накопление и хранение клубней для просушки и при необходимости дозревания для снижения их повреждаемости при следующей обработке; отделение от клубней примесей и некондиционных клубней; сортирование клубней на фракции с подачей в бункера-накопители или контейнеры; предпосадочная подготовка клубней (сортировка, прогрев, проращивание, протравливание).
Пункт монтируют в специальном помещении. Он состоит из трех отделений: площадки предварительного хранения и подготовки продукции I, отделения для обработки II и склада готовой продукции III.
Технологическое оборудование пункта скомпановано из двух технологических линий. Площадка предварительного хранения и подготовки продукции оборудована вентиляционной системой, состоящей из вентиляционной камеры 8 и системы вентиляционных каналов 10. На этой площадке накапливаются большегрузные контейнеры 9, что является компенсатором неравномерностей работы подсистемы «транспортные средства - сортировальный пункт». На ней также прогревают картофель перед посадкой или подсушивают (при уборке во влажную погоду) перед послеуборочной обработкой. В отделении для обработки смонтированы спаренные сортировальные пункты 2 марки КСП-15Б, снабженные переборочными столами 16. Там же имеется система транспортеров 7, 11, 13 для передачи обрабатываемого продукта по технологическому процессу и в бункера-накопители.
Пункты КСП-15Б снабжены подъездными эстакадами 1 и рамами 3 для выгрузки картофеля из контейнеров. Пункт имеет бункера 15, 12 и 6 для накопления соответственно крупной, средней и мелкой фракций с раздаточными конвейерами 14 и бункер 4 для сбора выделенных примесей. Управляют технологическим оборудованием пункта централизованно с пульта 5. В помещении пункта смонтирована кран-балка 18 для выполнения операций с большегрузными контейнерами. Загружаются контейнеры 19 готовой продукцией загрузочным устройством 17.
В технологическом процессе работы пункта в качестве оборотной тары для временного хранения картофеля используют большегрузные контейнеры вместимостью 2 т, состоящие из двух половин, соединенных в верхней части на шарнире, что позволяет им раскрываться при подъеме [65].
Анализ конструкций рабочих органов для отделения комков почвы и примесей от клубней картофеля
Наиболее трудоемкой операцией послеуборочной обработки картофеля, поступающего на сортировальные пункты или сортировально-очистительные линии послеуборочных машин, является отделение клубней от почвы и других примесей.
Создание рабочих органов для отделения клубней от примесей в настоящее время ведется в двух направлениях. Первое направление основано на создании рабочих органов, основанных на использовании механических способов отделения, и второе - на основе различия физико-механических свойств разделяемых продуктов, с помощью автоматических электронных устройств.
Сепарирующие рабочие органы просеивающего типа, как правило, аналогичны рабочим органам картофелеуборочных машин. В силу того, что количество почвенных примесей в массе, подаваемой на обработку, значительно меньше, чем при уборке, рабочие органы сортирующих машин и линий делают более легкими. Чтобы не наносить излишних повреждений клубням, поверхность сепарирующих рабочих органов, покрывают резиной. Скорость движения сепарирующих элеваторов несколько ниже по сравнению со скоростью движения элеваторов уборочных машин.
Наибольшее количество почвенных примесей в продукте, поступающем на послеуборочную обработку, может быть в отдельных случаях 40...50% [65]. Таким образом, при производительности, например, пункта для послеуборочной обработки картофеля около 30 т/ч максимальное количество поступающей почвы может составить 15 т/ч или 4...5 кг/с.
Для снижения повреждений в качестве сепарирующего рабочего органа просеивающего типа используют ременную поверхность с параллельно расположенными ремнями 2 и эксцентриковым встряхивателем 3 (рисунок 1.3).
Ременный рабочий орган для выделения мелких примесей образован параллельно расположенными бесконечными прорезиненными ремнями круглого поперечного сечения. Для активизации процесса встряхиватель сообщает ремнями колебания в вертикальной плоскости. Вследствие своей конструктивной сложности данный тип рабочего органа не получил широкого распространения.
Наиболее широкое распространение получили ротационные сепараторы (рисунок 1.4), как наиболее простые и универсальные. Однако данный тип рабочих органов не в состоянии отделить комки почвы размером, равным размеру клубней. Кроме этого, по данным ВНИИКХ [57], повреждения клубней такими рабочими органами составляют 17,5... 18,7%, а остаток примесей после сепарации находится в пределах 6,3%.
Известно устройство для очистки корнеклубнеплодов от примесей повышенной влажности (а.с. №1355154) [4] (рисунок 1.5).
В процессе работы устройства при перемещении клубней по прутковому днищу 9 загрузочного лотка 2, благодаря его колебательному движению, происходит частичное отделение примесей. Этому способствует то, что концы прутков днища 9 имеют пальцы, свободно размещенные в эластичных элементах, а на других концах прутков установлены ролики, взаимодействующие с эксцентриковыми втулками дискового вала 7. Отдельные примеси попадают на наклонный сплошной желоб 18, по которому направляются в бункер 19. Данная конструкция удачно сочетает в себе достоинства грохотов и роликовых рабочих органов. Однако с его помощью также невозможно разрушить комки почвы.
Известно большое количество технических решений с использованием щеточных отделителей. Как правило, они используются с различного типа транспортерами (наклонными горками). На рисунке 1.6 представлено одно из таких устройств (а.с. № 1384252) [5].
Устройство содержит прутковый транспортер 1 с зацепами 2, покрытыми эластичным материалом, батарею цилиндрических щеток 4-7 и встречно вращающуюся щетку 8. В промежутках между щетками 4-7 установлены кулачковые встряхиватели (KB) 9, 10, 11. Привод щеток и KB выполнен цепным. Диаметр ведущих звездочек 13-18, соответственно щеток 4, 5, 6, и KB 9, 10, 11, выполнен уменьшающимся по ходу движения полотна транспортера 1, а диаметр звездочки 19 щетки 7 выполнен больше диаметра звездочки 15. Ворох, предназначенный для обработки, подается на транспортер 1. Линейная скорость щеток больше, чем скорость полотна транспортера 1, причем скорость щеток 4, 5, 6 возрастает, а щетки 7 несколько уменьшается. Привод обеспечивает увеличивающуюся частоту вращения КВ. К недостаткам таких устройств следует отнести то, что они выделяют из вороха только мелкие примеси и растительные остатки.
В последнее время, как в нашей стране, так и за рубежом ведутся разработки в направлении создания технических средств, работа которых основана на различии физико-механических свойств клубней и почвы, а также автоматических электронных устройств с использованием рентгена, фотоэлектронного эффекта и т. д.
Методика определения размерных характеристик клубней картофеля
В задачу экспериментальных исследований входило: - проверка достоверности разработанных теоретических положений; - уточнение отдельных расчетных зависимостей; установление экспериментальных зависимостей и отыскание оптимальных параметров процессов сепарации почвы и сортирования клубней картофеля на фракции.
Проведению экспериментальных исследований предшествовали сбор и анализ априорной информации, литературных и патентных материалов, теоретический анализ изучаемых процессов, решение организационных вопросов проведения эксперимента; решение методологических и технических вопросов проведения эксперимента. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с разработанной комплексной методикой, включающей ряд известных методик по определению физико-механических свойств комков почвы и размерных характеристик клубней картофеля, пропускной способности устройства и мощности, затрачиваемой на исследуемые процессы [65-67; 72; 79; 80; 84; 85; 104].
Размерные характеристики клубней (длина, ширина и толщина) определяем путем замера предварительно выбранных из вороха клубней в количестве по 100 штук.
Форму клубней оцениваем коэффициентом формы по выражению: Д=-А-, (3-і) (Ьс)г где I, b, с - соответственно длина, ширина и толщина комков и клубней, м.
Результаты обрабатываем методами математической статистики [79], а также с помощью ЭВМ по программе «Statistic - 6» и т.д.
С целью изучения процессов сепарации и сортирования была изготовлена специальная экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.1. Установка включает установленные последовательно горизонтально и наклонно два транспортера, сепарирующе-сортирующее устройство 2, лотки для отвода примесей 3 и клубней 4. Под лотками размещены ёмкости 5 для сбора примесей и клубней, разделяемых на фракции.
При проведении экспериментальных исследований на горизонтальный транспортер по всей его длине загружается ворох (клубни с примесями) в количестве, обеспечивающем различную подачу и содержание примесей (почвы). Со стороны подачи клубней размещен загрузочный лоток.
Перед работой устройства включается привод прутковых элеваторов, и в лоток подаются клубни. При этом прутковые элеваторы имеют противоположные направления движения и неодинаковую скорость. Скорость движения элеватора, работающего в направлении выгрузного транспортера, больше. В связи с этим, в процессе работы устройства клубки и комки почвы из-за различия в размерах располагаются на различной высоте в V-образном зазоре между элеваторами и получают одновременно вращательное и поступательное движение. По мере такого сложного движения комки почвы под действием сил тяжести и силы, действующей в продольном направлении, движутся по направлению результирующей, заклиниваются в V-образном зазоре, постепенно разрушаются и, проходя через зазоры между прутками элеваторов и нижним зазором, попадают в ёмкость 5 для примесей.
Сюда же проваливаются и другие примеси (ботва и солома, а также комки почвы малого размера). В то же время клубни, перемещаясь в продольном направлении и вращаясь относительно своей оси, подвергаются воздействию прутков, получая при этом определенные колебания, освобождаются от налипшей на поверхность почвы и, сходя с соответствующего яруса, попадают в ёмкости для клубней. После этого примеси и клубни каждой из фракций взвешиваем на весах.
Основными факторами, влияющими на качество сепарации и точность сортирования, являются длина прутковых элеваторов, угол их установки друг к другу, шаг прутков, показатель кинематического режима, физико-механические свойства вороха и размерные характеристики клубней и комков почвы, что было установлено в процессе теоретических и поисковых исследований.
Качество процесса сепарации оцениваем показателем полноты выделения примесей /7 [85]: Обработку полученных результатов проводим методами математической статистики [79]. Пропускная способность сепарирующе-сортирующего устройства в каждом опыте определялась путем взвешивания порций отсортированных клубней на весах за промежуток времени:
Производственные испытания линии послеуборочной обработки картофеля
Испытания проводились на послеуборочной обработке картофеля сорта «Бородянский розовый» и «Адретта» в условиях хозяйства ООО «Семидомское» Константиновского района Амурской области (приложение 3).
Сепарирующе-сортирующее устройство устанавливалось в линию послеуборочной обработки картофеля картофелесортировального пункта. Режимы работы устройства и его параметры определялись в соответствии с проведенными исследованиями, а также в соответствии с номограммой (рисунок 5.1), разработанной для использования в производственных условиях и при проектировании устройств данного типа. Характеристика исходного сырья (вороха) и конечного продукта представлена в таблице 5.1.
При испытаниях проверялись работоспособность, качественные показатели работы, соответствие производительности линии требуемой. Производственные испытания показали удовлетворительную работу оборудования линии (см. таблицу 5.1) с показателями качества работы, отвечающими предъявляемым требованиям. При экономической оценке результатов исследований за базовый вариант было принято серийно выпускаемое промышленностью оборудование картофелесортировального пункта КСП-15Б.
На основании проведенных исследований разработана методика расчета поточной линии послеуборочной обработки картофеля в условиях хозяйства с последующей закладкой его в хранилища.
Заготавливаемый объем картофеля определяется: G =JS, (5.4) где J - урожайность картофеля, т/га; S - площадь, занятая картофелем, га. Продолжительность уборки определяется: JS (5.5) у 0,\icvn где / - число убираемых рядков; с - ширина междурядий, м; v - скорость движения картофелеуборочного комбайна, м/с; п - количество картофелеуборочных комбайнов, работающих одновременно. Производительность линии послеуборочной обработки картофеля определяется: Q =- -, (5-6) л nt к J у см где tcM - время рабочей смены, ч. Пропускную способность сепарирующе-сортирующего устройства находят из условия: QybQ., (5.7) где Q - производительность устройства, т/ч. Пропускную способность устройства по фракциям определяют по выражению (2.74).
Исходя из заданной производительности и известных размерных характеристик клубней, определяют конструктивно-режимные параметры сепарирующе-сортирующего устройства по выражениям (2.73), (2.133). Мощность, потребная на процессы сепарации и сортирования определяется по выражению (2.132).
На основании результатов проведенных исследований было изготовлено оборудование поточно-технологической линии послеуборочной обработки картофеля и произведен его монтаж в ГУ «Амурская МИС» (приложение 4).
1. Анализ существующих поточных линий послеуборочной обработки картофеля показал, что они имеют сложную структуру, металлоёмки и энергоёмки. При этом качество работы сепарирующих и сортирующих устройств, входящих в их состав, не отвечает предъявляемым требованиям;
2. Установлено, что для повышения эффективности работы данных линий необходимо использовать устройства транспортерного типа, сочетающие в себе возможности сепарирующих и сортирующих устройств, обеспечивающих одновременное поступательное и вращательное движение составляющим вороха и их вертикальную ориентацию в пространстве по такой размерной характеристике, как длина;
3. Теоретическими исследованиями установлено, что пропускная способность сепарирующе-сортирующего устройства зависит от размерных характеристик клубней, физико-механических свойств вороха и конструктивно-режимных параметров устройства. Получены выражения для расчета общей производительности устройства и на каждой из фракций картофеля, времени разрушения комка почвы, силовых факторов процесса разрушения комка и на их основе формула для расчета мощности, затрачиваемой на процесс сепарации почвы и сортирования клубней.
4. Экспериментальными исследованиями подтверждено влияние конструктивно-режимных факторов на качественные показатели процессов отделения почвы и сортирования картофеля на фракции. Определены оптимальные параметры сепарирующе-сортирующего устройства, которые равны: - показатель кинематического режима (соотношение скоростей движения полотен элеваторов в прямом и обратном направлениях) Я=1,6; - угол установки прутковых элеваторов друг к другу у - 27.„30; - длина полотен прутковых элеваторов Lmp=l,6 м; - шаг прутков элеваторов tn =0,02 м.
5. Результаты производственных испытаний линии послеуборочной обработки картофеля показали, что она успешно выполняет процессы отделения почвы от клубней и их сортирование на фракции. Качественные показатели отвечают предъявляемым агротребованиям. На основании проведенных исследований разработаны методика расчета линии послеуборочной обработки картофеля и номограмма для оперативного определения параметров линии во взаимной связи конструктивно-режимных параметров устройства, урожайности, количества комбайнов и продолжительности уборочного периода.
6. Применение поточной линии послеуборочной обработки картофеля позволит получить годовой экономический эффект 168998,5 руб при лимитной цене 563218,08 руб. При этом снижение затрат труда составит 33% при дополнительном доходе 1,29 млн руб за счет повышения сохранности картофеля.
