Введение к работе
Актуальность проблемы. Наиболее распространенным способом механизированной уборки картофеля является подкапывание клубненосного пласта с последующим его разрушением и выделением клубней из вороха, который содержит в себе растительные примеси, свободную мелкую почву, почвенные комки и камни. Наибольшую трудность представляет отделение от клубней прочных почвенных комков и камней. Предпринимались попытки уйти от этой проблемы путем размещения посадок картофеля на хорошо просеиваемых песчаных почвах, с помощью специальных агротехнических приемов, снижающих, до некоторой степени, количество комков. Однако такие меры носят частный характер, недостаточно надежны и существенно усложняют технологию. Около 20% площадей, занятых под картофелем, сильно засорены камнями, размеры которых близки к размерам клубней, а примерно 40% посадок размещены на почвах, склонных к значительному комкообразованию.
При механизированной уборке почвенные комки и камни отделяются от клубней частично на комбайне, окончательно на сортировально-очистительном пункте. В зависимости от условий уборки на каждый комбайн приходится от 4 до 6 рабочих - переборщиков. В годы засушливой осени почвенных комков в комбайн поступает настолько много, что отделить их от клубней вручную весьма сложно и от применения комбайнов приходится отказываться в пользу ручного подбора клубней за картофелекопателями.
Проблема отделения почвенных комков имеет место также при уборке репчатого лука, корнеплодов, томатов и других культур. Томаты легко повреждаемы, поэтому их нельзя перевозить вместе с твердыми комками на стационарный пункт послеуборочной обработки, комки необходимо отделять на комбайне. При этом применение сложного сепаратора типа рентгеновского неперспективно, что следует из опыта использования аналогичного сепаратора на английском картофелеуборочном комбайне.
Механические сепараторы, применяемые на зарубежных мобильных машинах (щеточные, воздушно-вакуумные и др.), недостаточно эффективны по качеству работы. Поэтому изыскание и создание сепаратора, отличающегося от известных сочетанием высокой эффективности технологического процесса разделения с простотой устройства и эксплуатации остается актуальной проблемой.
В диссертационной работе решена важная народнохозяйственная проблема – снижение затрат при механизированной технологии производства корнеклубнеплодов путем обоснования параметров, разработки нового технологического процесса и конструкции сепаратора для отделения корнеклубнеплодов от прочных почвенных комков и камней в блокированном псевдоожиженном слое (БПС).
Для решения этой проблемы была выдвинута гипотеза: на основе существенного различия корнеклубнеплодов и примесей в плотности и фрикционных свойствах обосновать технологию и технические средства, позволяющие высокоэффективно разделять эти компоненты. Гипотеза подтверждается путем аналитического и экспериментального обоснования рациональных параметров новой сепарирующей системы – БПС, реализующего в своем технологическом процессе различие в плотности и фрикционных свойствах разделяемых компонентов, на основе которого разработаны технологические схемы и определены параметры технических средств для высокоэффективного непрерывного технологического процесса разделения компонентов.
Связь работы с научными программами и планами:
Работа выполнялась c 1979 по 2009 г. по госбюджетной теме „Совершенствование процессов пневмомеханической очистки корнеклубнеплодов” (государственный регистрационный номер 0104U005400) в соответствии с государственными научными и научно-техническими программами развития:
- программой 5.6. „Государственная научно-техническая программа”. „Новые технологические производства хранения и переработки сельскохозяйственной продукции;
- программой 5.7. „Технические средства нового поколения для сельскохозяйственного производства”.
А также по хозяйственным договорам:
с Головным специализированным конструкторским бюро (ГСКБ п.о. «Рязсельмаш», г. Рязань) по теме: «Исследование устройства для отделения клубней картофеля от почвенных комков и камней и обоснование его рабочих параметров», а также по теме:«Разработка пневматического отделителя корнеклубнеплодов от примесей» в 1979-1982 и 1984-1985 гг.;
с ГСКБ по машинам для овощеводства г. Москва по теме:– «Линия послеуборочной обработки лука-репки и лука-севка повышенной производительности: Исследование пневматического сепаратора вороха лука от комков почвы и камней» в 1983 г.;
с совхозом «Индустрия» Станично-Луганского района Луганской области, в 1986 и 1987 г. по теме «Внедрение механизированной уборки и послеуборочной обработки картофеля»;
по договорам о творческом сотрудничестве с ПКБ «Прогресс» г. Николаев в 1993, 1998-2009 гг.;
по международному финансируемому договору с Молдовой в 2004 - 2005 г. по теме „Разработка нового поколения очистителя-отделителя корнеклубнеплодов от примесей”.
Объекты исследований – технологический процесс и технические средства сепарации корнеклубнеплодов от примесей.
Предмет исследований –закономерности технологического процесса сепарации корнеклубнеплодов в (БПС).
Методы исследований. При выполнении теоретических и экспериментальных исследований в диссертации использованы методы: системного анализа, теории подобия, механико-математического моделирования, классической механики, гидравлики, дифференциального исчисления и математической статистики. Расчеты результатов исследований проведены на персональных компьютерах с использованием стандартных и вновь разработанных методик. При изучении эффективной плотности системы БПС - тела, аэродинамических и механических характеристик компонентов (корнеклубнеплодов и примесей ) использованы методы зондирования БПС реальными телами и их моделями на специально разработанном стенде. Скорости перемещения тел в БПС, как в непрозрачной среде, определяли с помощью индуктивных датчиков перемещений по усовершенствованной схеме на разработанном нами лабораторном оборудовании.
Точность и достоверность результатов исследований. Результаты экспериментальных исследований, приведенные в диссертационной работе, были получены с применением стандартных приборов и лабораторного оборудования.
Относительная погрешность определенных величин составляла: эффективной плотности БПС – 0,25% и давления в БПС – 0,3-5%.
При определении плотности почвенных комков, а также эффективности разделения клубней, почвенных комков и камней расчетное число наблюдений равнялось 36. Для повышения достоверности наблюдений плотность определялась у каждого из 200 почвенных комков. При определении эффективности технологического процесса пробы состояли из 100 клубней, 100 почвенных комков и 100 камней.
Цель исследований – повышение эффективности и качества послеуборочной обработки корнеклубнеплодов путем обоснования параметров и разработки сепаратора для отделения корнеклубнеплодов от примесей в БПС.
Задачи исследований:
проанализировать проблему сепарации корнеклубнеплодов от почвенных
комков и камней;
определить рациональные параметры сепаратора нового типа для отделения
корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней в БПС;
изучить эффективность работы опытного образца сепаратора;
провести сравнительную технико-экономическую оценку разработок.
Научная новизна работы. Разработаны механико-математические модели:
- свободного БПС как полустационарной двухфазной среды, обладающей регулируемой статической плотностью, на основе которой получены формулы для определения сопротивления слоя и одиночного диска в «стесненных условиях», что в свою очередь, позволило определять основные механико-технологические свойства материала для твердой фазы БПС в зависимости от его аэродинамических и геометрических параметров;
- системы БПС – погруженное в него тело (загруженный БПС) для обоснования методики расчета геометрических и аэродинамических параметров слоя, обеспечивающих разделение тел различных размеров и плотности;
- движения тела в БПС, с помощью которой обоснованы основные схемы непрерывных процессов разделения тел и предложены показатели оценки разделяющей способности системы БПС – погруженное в него тело;
- обоснованы схемы и параметры систем: ввода смеси, вывода разделенных компонентов и воздухораспределения.
Выполнено обоснование производительности основных схем сепараторов, разрабатываемых на основе БПС как разделяющей системы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Механико-математические модели свободного и загруженного БПС, как полустационарной двухфазной среды, обладающей эффективной плотностью по отношению к разделяемым компонентам;
2. Механико-математические модели движения тела в БПС, с помощью которых обоснованы основные схемы непрерывных технологических процессов разделения;
3. Методики определения основных компонентов эффективной плотности БПС;
4. Методика комплексной оценки разделяющей способности БПС по коэффициенту равнопадаемости и величине четкости разделения;
5. Схемы непрерывных технологических процессов, а также систем ввода смеси, вывода разделенных компонентов и воздухораспределения, защищенные авторами свидетельствами и патентами на изобретения.
Практическая значимость результатов исследования:
- разработана методика расчета геометрических и аэродинамических параметров БПС, а также новые конструкторско-технологические схемы устройств для непрерывного технологического процесса отделения корнеклубнеплодов от комков почвы и камней, обеспечивающие качественное разделение тел различных размеров и плотности;
- на основе разработанной методики расчета параметров БПС, а также перспективных конструкторско-технологических схем изготовлены опытные образцы сепараторов корнеклубнеплодов от комков почвы и камней в лаборатории ЛНАУ г. Луганск, в ВИМе (г. Москва) и ГСКБ П.О. «Рязсельмаш» (г.Рязань), которые по результатам испытаний в ГСКБ П.О. «Рязсельмаш», совхозе «Индустрия» Станично-Луганского района, в ООО „Керамик” ЛТД Лутугинского района Луганской области показали, что их применение в 2-3 раза снижает затраты ручного труда на операции отделения корнеклубнеплодов от комков почвы и камней.
Реализация результатов исследования:
Перспективная схема устройства для отделения корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней (с использованием БПС в качестве сепарирующей системы) и методика расчета его параметров переданы в ГСКБ П.О. «Рязсельмаш» г.Рязань и в ПКБ «Прогресс» г. Николаев для использования при разработке сепараторов корнеклубнеплодов от почвенных комков и камней. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для проектирования опытных образцов сепаратора корнеклубнеплодов, подготовки “Рекомендаций производству”, а также используются при выполнении дипломных проектов, магистерских и кандидатских работ.
Апробация результатов исследования. Результаты аналитических и экспериментальных исследований по теме диссертации докладывались, обсуждались и получили позитивную поддержку на:
конференциях Луганского национального аграрного университета в 1986-2002 гг.;
как завершенные исследования по хоздоговорным темам в ВИМе (г. Москва), в ГСКБ по овощеводству (г. Москва), в ГСКБ по машинам для уборки и послеуборочной обработки картофеля и корнеплодов п.о. «Рязсельмаш» (г. Рязань), ПКБ «Прогресс» (г. Николаев);
международной научно-технической конференции «Перспективы развития механизации и технического сервиса сельскохозяйственного производства» в пгт. Глеваха, в 1996г.;
юбилейной конференции НАУ г. Киев в 1998г.;
- в Сучжуйском техническом университете сельского хозяйства (КНР) в 2005г. (в форме презентации монографии автора).
- на коллегии Главного управления агропромышленного развития, совете-семинаре специалистов Инспекции качества и формирования ресурсов сельскохозяйственной продукции Луганской Областной Государственной Администрации, а также в Ассоциации фермеров и частных землевладельцев Луганской области;
- конкурсной комиссии отборочной государственной экспертизы Министерства образовании и науки Украины.
Личный вклад соискателя.
Разработаны:
Механико-математическая модель БПС и формулы для расчета его параметров, обеспечивающие разделение компонентов различных размеров и плотности.
Методики:
обобщения аэродинамического сопротивления БПС и формулы для расчета его статической плотности как одного из главных факторов сепарирующей способности БПС;
определения аэродинамической компоненты эффективной плотности по интегральной выталкивающей силе от давления по поверхности тела, погруженного в БПС;
определения силы воздействия твердой фазы (гирлянд) на тело, погруженное в БПС;
расчета параметров БПС в области погруженного в него тела и показателей его вместимости по отношению к разделяемым телам;
комплексной оценки разделяющей способности БПС по коэффициенту равнопадаемости и величине четкости разделения компонентов.
Определены возможности отделения клубней от комков и камней в горизонтальном вертикальном, наклонном БПС, а также выполненном на поверхности барабана. Определены рациональные параметры с сепарирующим покрытием, выполненным на наружной поверхности вращающегося барабана.
Обоснованы параметры систем для ввода смеси в сепаратор, вывода из него разделенных компонентов и воздухораспределения.
Проведена производственная проверка сепаратора и выполнена технико-экономическая оценка разработок.
Отдельные работы выполнялись совместно с другими исследователями, результаты их опубликованы в печати с определением доли соавторов.
Публикации. Основные результаты аналитических и экспериментальных исследований освещены в 46 печатных работах, авторских свидетельствах и патентах на изобретения, в т.ч. 19 без соавторов. В числе печатных работ 3 монографии, одна из них в соавторстве (доли авторов равные, по 50%).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованных источников из 222 наименований и 16 приложений. Объем диссертационной работы составляет 450 страниц, в т.ч. 99 рисунка, 28 таблиц и 88 страниц приложений.
