Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема совершенствования технологического процесса калибрования клубней картофеля и постановка задач исследования 19
1.1. Анализ и оценка существующего уровня технологий послеуборочной обработки картофеля 19
1.2. Классификация, анализ и оценка технических средств калибрования клубней картофеля 29
1.3. Способы и средства не вошедшие в классификацию 43
1.4. Состояние исследований 48
1.5. Научная проблема и рабочая гипотеза 59
1.6. Выводы, цель и постановка задач исследований 61
2. Некоторые физико-механические свойства клубней картофеля 65
2.1. Состояние вопроса и задачи исследования 65
2.2. Общая методика исследования и обработки экспериментальных данных 67
2.3. Результаты исследований
2.3.1. Зависимость массы клубней картофеля от произведения их линейных размеров 68
2.3.2. Взаимосвязь линейных размеров и массы клубней 72
2.3.3. Взаимосвязь линейных размеров клубней 78
2.3.4. Соотношение размеров продольных и поперечных сечений клубней 82
2.3.5. Математическое описание контуров продольных и поперечных сечений клубней 84
2.3.6. Определение углов скольжения и качения клубней картофеля по различным поверхностям 89
2.3.7. Выводы по разделу 91
3. Теоретическая модель процесса формирования рациональной решетной поверхности и взаимодействия с ней клубней картофеля различных форм 93
3.1. Научная концепция формирования новых решетных поверхностей .93
3.2. Влияние на точность сортирования геометрических свойств отверстий решет и клубней картофеля 95
3.3. Влияние формы клубней картофеля и отверстий решет на пропускную способность решет 103
3.4. Обоснование ориентации правильных шестиугольных отверстий по ходу технологического процесса 108
3.5. Преимущества решет с правильными шестиугольными отверстиями и предлагаемая технология их изготовления ПО
3.6. Общие принципы использования колеблющихся наклонных поверхностей в качестве рабочих органов сельскохозяйственных машин 114
3.7. Исследование процесса взаимодействия клубней округлой формы с шестиугольными отверстиями колеблющейся калибрующей поверхностью 119
3.8. Исследование процесса взаимодействия клубней удлинённо-овальной формы с шестиугольными отверстиями колеблющейся калибрующей поверхности 128
3.9. Динамика грохота картофелесортировальной машины как тела переменной массы
3.9.1. Предварительные замечания 132
3.9.2. Определение добавочной силы, действующей на грохот картофелесортировальной машины, обусловленной переменностью его массы 135
4. Лабораторные исследования экспериментальных картофелесортировальных машин 138
4.1. Программа, общая методика и оценочные показатели 138
4.2. Экспериментальная установка с комбинированными схемами расположения решет 140
4.3. Результаты исследований картофелесортировальной машины при технологической схеме, сформированной по варианту I (рис. 4.1)
4.3.1. Влияние частоты и амплитуды колебаний решет на точность калибрования клубней 146
4.3.2. Влияние угла наклона решет к горизонту и их длины на точность калибрования клубней 149
4.3.3. Влияние подачи вороха на сепарирующую поверхность на точность калибрования клубней и энергетические показатели работы картофелесортировальной машины 152
4.4. Результаты исследований картофелесортировальной машины при технологической схеме, сформированной по варианту II (рис. 4.1) 155
4.4.1. Влияние частоты и амплитуды колебаний на точность калибрования клубней 156
4.5. Экспериментальная картофелесортировальная машина с технологической схемой, сформированной из решет с отверстиями правильной шестиугольной формы 160
4.5.1. Экспериментальная картофелесортировальная машина 161
4.5.2. Влияние амплитуды и частоты колебаний решет на точность калибрования клубней 168
4.5.3. Влияние угла наклона калибрующих решет на точность сортирования 170
4.5.4. Влияние длины калибрующей поверхности на точность сортирования 171
4.5.5. Влияние подачи на точность сортирования 173
4.5.6. Зависимость энергозатрат на калибровку клубней от производительности калибровщика 174
4.5.7. Влияние режимов на точность калибрования средней фракции клубней картофеля 175
4.6. Математическая модель технологического процесса калибрования клубней картофеля на решетах с отверстиями правильной шестиугольной формы 178
4.6.1. Влияние исследуемых факторов на точность калибрования 178
4.6.2. Анализ математической модели, описывающей точность калибрования 183
4.6.3. Выводы по разделу 190
5. Производственная проверка, практическая реализация и экономическая целесообразность использования результатов исследований 191
5.1. Производственная проверка и практическая реализация результатов исследований 191
5.2. Экономическая целесообразность использования результатов исследований 192
Общие выводы 201
Список использованных источников
- Состояние исследований
- Общая методика исследования и обработки экспериментальных данных
- Влияние на точность сортирования геометрических свойств отверстий решет и клубней картофеля
- Экспериментальная картофелесортировальная машина с технологической схемой, сформированной из решет с отверстиями правильной шестиугольной формы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство картофеля является одной из важнейших составляющих продовольственной безопасности Российской федерации. Самый высокий уровень отечественного производства, гарантирующего продовольственную безопасность России, отводится зерну и картофелю. Доля собственного производства картофеля должна составлять не менее 95% общей потребности.
Повышенное внимание к производству одной из важнейших продовольственных культур - картофелю, который возделывается более чем в 140 странах, отмечается в мировом производстве. В связи с постоянно возрастающей значимостью этой культуры для человечества Генеральная ассамблея ООН объявила 2008 год «Годом картофеля».
Краткий анализ уровня производства картофеля в Российской Федерации и его сопоставление со странами ЕС показывает, что в России валовый сбор составляет 37 млн.т. при возделывании его на площади около 3 млн.га, т.е. при средней урожайности 12,3 т/га.
В то же время в странах ЕС урожайность в 2,7 раза выше, чем в России и составляет 33,5 т/га, а валовый сбор с 2 млн.га составляет 67 млн.т.
Такая значительная разница в результатах производства картофеля между Россией и странами ЕС объясняется несколькими причинами.
Во-первых, в России 90% картофеля производится в личных подсобных (ЛПХ) и мелких крестьянско-фермерских хозяйствах (КФХ) на участках площадью, в среднем, не превышающей 2 га. На таких участках применяются простейшие технологии с низким уровнем механизации.
Низкая урожайность мелкотоварного производства объясняется тем, что в этих условиях нет возможности применять высококачественный посадочный материал не только по биологическому признаку, но и из-за низкого качества предпосадочной калибровки клубней по размерам, что оказывает существенное влияние на качество работы посадочных машин.
При жестком диапазоне регулировок вычерпывающих аппаратов картофелепосадочных машин в зависимости от размеров высаживаемых клубней, требования к качеству предпосадочной калибровке клубней имеют очень большое значение, т.к. от выровненности посадочного материала зависит качество работы сажалок и, как следствие – урожайность.
Точность калибрования клубней необходима не только для семенного картофеля, но и для продовольственного.
Отечественные картофелесортировальные машины по качеству разделения клубней на размерные фракции не выполняют требований новых стандартов России, приведенных в соответствие с аналогичными стандартами ЕС, ни по семенному, ни по продовольственному картофелю.
В связи с вышеизложенным проблема повышения точности разделения клубней на размерные фракции является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского региона на 20 лет до 2010 года» /№ гос.регистрации 840005200/, комплексной темой НИР Саратовского ГАУ имени Н.И.Вавилова раздел 4.2 «Совершенствование технологических процессов и технических средств сепарации и послеуборочной обработки корнеклубнеплодов» и Мичуринского ГАУ «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» /№ гос.регистрации 01201151795/ тема: «Разработка сельскохозяйственных машин, орудий и мобильной техники».
Цель работы – повышение эффективности технологического процесса сортирования клубней картофеля на размерные фракции путем создания новых калибрующих поверхностей.
Объект исследований – технологический процесс картофелесортировальных машин.
Предмет исследований – закономерности функционирования рабочих органов, параметры технологических схем и калибрующих поверхностей картофелесортировальных машин.
Методы исследований – включали теоретический анализ процесса калибрования клубней картофеля с использованием законов классической механики и математического анализа; оптимизацию параметров и режимов работы картофелесортировок методами регрессионного анализа с оценкой достоверности результатов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик, приборов и оборудования, с обработкой результатов на П.К.
Научная новизна работы:
- предложена новая математически обоснованная форма калибрующих отверстий для формирования рабочего поля решет картофелесортировальных машин;
- теоретическая модель процесса взаимодействия клубней картофеля различных форм с новыми решетными поверхностями;
- математическая модель технологического процесса калибрования клубней картофеля на машинах грохотного типа с новыми решетными поверхностями;
- оптимальные параметры и режимы работы грохотных картофелесортировальных машин с новыми рабочими органами.
Практическая значимость. Совокупность выполненных исследований и теоретических обобщений позволили разработать технические средства в составе картофелесортировальных машин, повышающих точность разделения клубней на размерные фракции в сочетании с высоким коэффициентом пропускной способности, обеспечивающим высокую производительность.
Разработанные в диссертации технические решения защищены 3 патентами Российской Федерации (№40836, №2319332, №103268) на способ калибрования и рабочие органы картофелесортировальных машин, которые могут быть использованы для разработки новых и модернизации существующих машин.
Использование новых решетных поверхностей позволяет в 2,3-3 раза снизить погрешность точности калибрования, что обеспечивает более четкую работу картофелепосадочных машин, снижает количество пропусков и сдвоенных посадок, в результате чего увеличивается урожайность и снижается расход дорогостоящих посадочных клубней.
Реализация результатов исследований.
На основании результатов исследований разработаны рекомендации «Совершенствование технологического процесса калибрования клубней картофеля» одобренные и изданные Россельхозакадемией.
Предложения по практической реализации разработок, представленных в диссертации, рекомендованы к использованию Департаментом науки и технической политики МСХ РФ.
Разработанные технические средства для калибрования клубней картофеля используются в ряде хозяйств Саратовской и Тамбовской областей.
Две картофелесортировальные машины, разработанные на основании исследований, изготовлены УНПЦ «Волгоагротехника» при Саратовском государственном агроинженерном университете и переданы в специализированные картофелеводческие хозяйства.
Результаты исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в Саратовском ГАУ им. Н.И.Вавилова, Мичуринском ГАУ, Пензенской и Самарской ГСХА.
Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях профессрско-преподавательского состава Саратовского агроинженерного университета (1995-1998 г.г.), Саратовского аграрного университета им. Н.И.Вавилова (1999-2009 г.г.), на международных научно-практических конференциях: Вавиловские чтения» (Саратов, 2004-2006 г.г.), посвященной 70-летию Московского агроинженерного университета им. В.П.Горячкина (Москва, 2000 г), Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (Москва, ВИМ, 2000 г), «Ульяновские чтения» (Саратов, 2005 г.), Агроинженерный комплекс: состояние, проблемы, перспективы (Пенза – Нейбрандербург, 2005 г.), Современные проблемы механизации сельскохозяйственного производства (Махачкала, 2006 г.), посвященной 75-летию со дня рождения проф. В.Г.Кобы (Саратов, 2006 г.), посвященной 100-летию со дня рождения проф. В.В.Красникова (Саратов, 2008 г.), посвященной 70-летию со дня рождения В.Ф.Дубинина (Саратов, 2010 г.), в Мичуринском государственном аграрном университете (Мичуринск, 2011 г.).
Результаты исследований и конструкторские разработки экспонировались на Всероссийской выставке «60 лет машиноиспытанию (2008 г.) и докладывались на научно-техническом совете ФГУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция» (п.Усть-Кинельский, Самарская область, 2001, 2008 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 12 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 3 – в описаниях к патентам, остальные в сборниках научных работ и материалах научных конференций. Общий объем публикаций составляет 16,15 п.л., из которых лично соискателю принадлежит 14 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (218 наименований, из которых 11 на иностранных языках) и приложений. Общий объем составляет 294 страницы, содержит 91 рисунок, 21 таблицу, 7 приложений.
Состояние исследований
В странах Европы семенной картофель производится только на специализированных фермах [104]. Так, например, в Англии семенной картофель выращивается на фермах Шотландии, где более низкие летние температуры, лёгкие почвы, большая продолжительность светового дня, достаточное количество осадков, что в совокупности дает возможность получать семенные клубни высокого качества при высокой урожайности. Шотландские фермеры производят посадочный материал для всех фермеров картофелеводов Англии.
В Голландии, фермеры производящие семенной картофель, для получения максимального количества стандартных по размеру семенных клубней удаляют ботву когда клубни достигают оптимального значения наибольшего поперечного сечения 28-55 мм [201].
Высококачественный посадочный материал - это клубни разделённые на размерные фракции, что обеспечивает высокое качество посадки, т.е. отсутствие пропусков и высадки по два клубня. Выравненный по размерам посадочный материал обеспечивает не только равномерность раскладки клубней по длине рядка, но и обеспечивает равномерность их заделки по глубине. Клубни меньшего размера глубже заделываются в почву, позднее всходят или не всходят совсем, что и в том и в другом случае приводит к значительному снижению урожая [144]. По данным результатов опытов в условиях Московской области выравненность размеров посадочных клубней оказывает значительное влияние на количество пропусков сажалкой и, в конечном счете, приводит к значительному снижению урожая [144].
Минимальное количество пропусков при фракционном составе клубней массой от 50 до 80 г. В этом случае количество пропусков не превышает 1%. При посадке смесью клубней массой от 25 до 150 г количество пропусков достигает 15%.
Такие большие погрешности в работе картофелепосадочных машин при использовании некалиброванных клубней объясняются тем, что у наиболее распространённых в России отечественных картофелепосадочных машин КСМ-4А, КСМ-6А боковые стенки питательного ковша вычерпывающих аппаратов требуют точной регулировки относительно дисков аппаратов в зависимости от размеров клубней.
Зазор между боковой стенкой и ложечкой устанавливают для клубней массой 30-50 г - 2-3 мм, 50-80 г- 10-12 мм, 80-100 г- 16 мм [176].
При таком жестком диапазоне регулировки вычерпывающих аппаратов их качественная работа может быть обеспечена только при высоком качестве подготовки семенных клубней при их калибровке на фракции по размерам.
Вышеприведенный пример, свидетельствует о погрешности в работе картофелесажалок, относится к опытам проведённым в 2002 году в период действия стандарта на семенной картофель, предусматривающий его классификацию по массе клубней.
Здесь просматривается существовавшее долгие годы явное противоречие между классификацией семенных клубней по массе и регулировками картофелепосадочных машин в зависимости от размеров клубней.
Наконец-то существовавшее долгие годы противоречие между требованиями стандартов на семенной и продовольственный картофель, регламентирующих их деление по массе и фактически осуществляемым на практике калиброванием клубней на фракции по размерам, разрешено введением в действие новых стандартов на семенной картофель с 2010 года и на продовольственный - с 2003 года [78, 79].
Однако данные по качеству работы посадочных машин, полученные в зависимости от массы клубней, не теряют своей актуальности т.к. масса и размер клубня находятся в корреляционной зависимости.
Требования к продовольственному картофелю регламентируются ГОСТ Р 51808-2001 "Картофель свежий продовольственный, реализуемый в розничной торговой сети. Технические условия" [79].
Продовольственный картофель делится на две большие группы: картофель свежий продовольственный ранний, к которому относится картофель урожая текущего года, реализуемый до 1 сентября и картофель свежий продовольственный поздний, к которому относится картофель урожая текущего года, реализуемый с 1 сентября. Стандартом регламентируется форма клубней - клубни, у которых длина превышает ширину в 1,5 раза и более относится к клубням удлинённой формы.
В зависимости от качества ранний картофель делится на два класса: первый и второй. Поздний картофель делится на три класса: экстра, первый и второй.
Для всех классов и сроков созревания допускается наличие клубней с механическими повреждениями (порезы, вырывы, трещины, вмятины) глубиной не более 5 мм и длиной не более 10 мм.
Общая методика исследования и обработки экспериментальных данных
Дальнейшее развитие теоретические предпосылки к обоснованию технологических процессов сортирования урожая сельскохозяйственных культур нашли в трудах учеников и последователей В.П. Горячкина.
Впервые использование теории вероятностей для теоретического обоснования технологического процесса работы сортировальных решет предложено в фундаментальных работах профессора М.Н. Летошнева [112], справедливость которой была подтверждена им экспериментально [113].
В этих работах М.Н. Летошнев предложил для определения вероятности прохождения иглы заданной длины в продолговатые отверстия известной ширины тростевого решета использовать решение задачи Бюффона.
Интересное продолжение и развитие этого подхода к решению задачи предложил профессор Г.Д. Петров применительно к клубням картофеля. Он предложил заменить иглу выпуклым замкнутым контуром, который заменил выпуклым многоугольника с п сторонами и определил вероятность его прохождения в просветы решета: p = 2L/S7T, (1.3) где L - полупериметр выпуклого контура; S - шаг (ширина) просветов тростевого решета; 7С = 3,14. Обеспечение рационального технологического процесса решетных сортировальных машин во многом зависит от параметров грохотов таких, как углы наклона решет и линии действия шатуна к горизонту и режимов их работы - амплитуды и частоты колебаний.
Впервые применительно к сельскохозяйственным машинам законы движения частицы с трением по колеблющейся наклонной плоскости были определены профессором Б.А. Бергом [7, 8], получившие дальнейшее развитие в работах И.И. Блехмана [10].
Эти фундаментальные теоретические работы послужили основой для разработок применительно к конкретным машинам для сортирования и калибровки плодов конкретных сельскохозяйственных культур.
В своей работе [137] Г.Д. Петров и Н.Ф. Диденко подробно исследовали работу качающегося грохота для сепарации вороха картофеля.
Наиболее полно обобщена теория грохотных картофелесортировальных машин в монографии Н.Н. Колчина и В.П. Трусова [84].
На рис. 1.18 представлены различные варианты компоновки грохотов и решет наиболее часто встречающиеся в картофелесортировальных машинах.
Несмотря на различие вариантов компоновки решет принципиальная схема механизма привода грохота и его подвески (рис. 1.19) картофелесортировальной машины для определения рациональных параметров и режимов работы остается постоянной, в которой приняты следующие обозначения: а - угол наклона решет к горизонту, град; Р - угол между подвесками грохота и вертикалью, град; со - угловая скорость кривошипа приводного механизма, с"1; г - радиус кривошипа, М; f - коэффициент трения клубней о решето; (р - угол трения клубней о решето, град; L - длина решета, М; m - масса клубня, кг; 8 = а + р - угол между направлением колебаний и плоскостью решета, град. Рациональное соотношение перечисленных параметров и режимов работы определяется такими критериями оценки, как точность сортирования клубней, производительность и повреждаемость клубней.
Теоретически обобщая варианты возможного воздействия на клубни колеблющейся наклонной поверхности профессор Н.Н. Колчин выделил четыре варианта кинематических режимов, сопоставляя их с центростремительным ускорением плоскости колеблющегося решета: - тихоходный режим, обеспечивающий одностороннее скольжение клубней по решету gsinjcp-a) -?Г gsm{a + (p) cos(or + Р (р) cos(or + р + ф) - полубыстроходный режим, обеспечивающий прямое и обратное скольжение клубней по решету gSm(CC + (p) , / 2 \ /1 „ч —— - й)2г [о)2г)уст (1.4) cos(« + J3 + ф) v ;у v - быстроходный режим, обеспечивающий попеременное скольжение вперед и назад без пауз ( 2 \ 2 gcosor (л _Л {co2r)ycm co2r а (1.5) sin(a + р j - режим с подбрасыванием, обеспечивающий на одних участках в течение одного оборота кривошина клубни движутся скольжением, а на других - свободным полетом после подбрасывания 2 gcosa ґл ,ч со г — 7 г- (1.6) sm(flr + р) Приведенные варианты кинематических режимов работы решет картофелесортировальных машин практически охватывают все необходимые и достаточные режимы, но имеют один существенный недостаток. Во всех вышеприведенных формулах не учитывается два очень важных фактора: физико-механические свойства клубней (кроме угла трения ф) такие, как форма и свойства поверхности клубней и конструкция решетной поверхности, которая отличается от плоскости и будут оказывать существенное влияние на процесс взаимодействия клубней с решетом.
Этот недостаток изложенных теоретических предпосылок будет ощутимо сказываться на значительном расхождении результатов теоретических расчетов и практических результатов разделения клубней картофеля на размерные фракции картофелесортировальными машинами грохотного типа, что приведет к сомнительным итогам, характеризующим достоверность получаемых данных, и по качеству сортирования, и по производительности и по повреждаемости клубней.
Влияние на точность сортирования геометрических свойств отверстий решет и клубней картофеля
Как показали изложенные в предыдущем разделе результаты исследования геометрических форм клубней различных сортов картофеля около 80% сортов, внесённых в Госреестр имеют форму клубней гипотетически представляющую собой трехосный эллипсоид и только 20% - могут быть представлены в форме шара.
Клубни последней формы достаточно четко делятся на размерные фракции решетами с квадратными отверстиями, т.к. возможность их прохода в квадратные отверстия не зависит от их ориентации.
Калибровка клубней в форме трехосного эллипсоида с необходимой точностью квадратными отверстиями даже теоретически невозможна, т.к. клубень, имеющий в поперечном сечении форму эллипса, в квадратное отверстие может пройти либо по стороне квадрата, либо по его диагонали, превышающей длину в 1,4 раза.
Особое значение форма калибрующих отверстий приобретает после введения новых стандартов на разделение клубней по размеру по максимальной величине поперечного сечения, т.е. для клубней в форме трехосного эллипсоида - по величине большой оси эллипса поперечного сечения.
С этой точки зрения для таких клубней гипотетически наиболее высокой точностью калибрования обладают решета с круглыми отверстиями, т.к. ориентация клубня, проходящего в такое отверстие, на точность калибрования не оказывает никакого влияния.
Другим важным оценочным фактором решетных поверхностей является их производительность, в значительной мере зависящая от коэффициента пропускной способности Хпр. Теоретически даже при касании круглых отверстий друг друга, что практически неосуществимо, т.к. должна быть перемычка между отверстиями, обеспечивающая необходимую и достаточную прочность решета, коэффициент его пропускной способности может быть: Хпр = /4 = 0,78. (3.1) В действительности, при наличии перемычек этот коэффициент у решет с круглыми отверстиями (рис. 3.1а) составляет 0,65-0,70.
Таким образом, оценивая возможности решет, выявляется явное противоречие между двумя важнейшими факторами - точностью калибрования клубней и производительностью рабочего органа, разрешение которых представляет научную проблему.
Разрешение указанных противоречий может быть достигнуто путём создания решет с такими отверстиями, которые обеспечивали бы максимальные точность калибрования и пропускную способность.
Рабочая гипотеза, разрешающая эти противоречия, может быть сформулирована следующим образом. Наиболее рациональными с точки зрения геометрических размеров, объёма и расхода материалов на изготовление являются пчелиные соты, имеющие в поперечном сечении форму правильных шестиугольников.
Оценивая правильный шестиугольник как возможную форму отверстий решет картофелесортировальных машин, можно сделать вывод, что из геометрических фигур он близок к окружности, его диагональ от диаметра вписанной окружности по длине отличается только на 15% (рис. 3.16), а максимальное теоретическое значение коэффициента пропускной способности составляет: Лш = п /3,45 = 0,91. (3.2) Сравнивая полученное значение коэффициента пропускной способности с аналогичным показателем для решет с круглыми отверстиями, можно заключить, что он превышает его на 15%, что может обеспечить более высокую производительность решет с отверстиями правильной шестиугольной формы.
Однако вышеизложенные гипотетические предпосылки требуют более детальных теоретических и экспериментальных подтверждений.
Точность сортирования клубней округлой формы решетами как с круглыми, так и с квадратными отверстиями будет одинаковой, т.к. проход клубней в отверстия зависит от соответствия диаметра клубня и диаметров отверстий решета иди диаметра окружности, вписанной в квадратное отверстие, и не зависит от его ориентации при прохождении в отверстие.
При сортировании клубней, имеющих эллипсовидные сечения, размером, определяющим возможность прохождения в отверстия, будет ширина клубня, т.е. большая ось эллипса поперечного сечения. При прохождении таких клубней в круглые отверстия их ориентация не влияет на точность сортирования. При прохождении клубней с эллипсовидными сечениями в квадратное отверстие их ориентация будет оказывать существенное влияние на точность калибрования. В зависимости от ориентации они могут располагаться (рис. 3.2) либо большой осью эллипса параллельно стороне квадрата (эллипс I), либо совпадать с диагональю квадрата (эллипс II), которая по длине сторону квадрата превосходит в 1,41 раза, что и будет приводить к погрешности в точности калибрования клубней. Возможный минимальный размер клубня, проходящего в квадратное отверстие, будет соответствовать большой оси эллипса поперечного сечения, равной стороне квадрата.
Экспериментальная картофелесортировальная машина с технологической схемой, сформированной из решет с отверстиями правильной шестиугольной формы
На частицу массой т, помещённую на колеблющуюся наклонную плоскость, будут действовать сила тяжести G и центробежная сила инерции Pj. При этом сила инерции за один оборот кривошипа будет менять, как величину, так и направление.
За 1/2 часть оборота от точки II до точки I (рис. 3.96) сила инерции Pj направлена вправо (по схеме) (рис. 3.9в) и стремится оторвать частицу от плоскости решета, а проекция этой силы на плоскость решета стремится сдвинуть частицу вниз по решету.
За 1/2 часть оборота кривошипа от точки I до точки II сила инерции Pj направлена влево (по схеме) (рис. 3.9г) и прижимает частицу к поверхности решета, а проекция этой силы на плоскость решета стремится сдвинуть её вверх по решету. При гармонических колебаниях центробежная сила инерции определяется из выражения: Pj =mco2Acos(ot. (3.44) Максимальное амплитудное значение силы инерции наступает при cos cot = \, при котором и определяется условие равновесия частицы, находящейся на колеблющейся наклонной поверхности.
Схема к теоретическому описанию процесса взаимодействия колеблющейся наклонной поверхности с находящейся на ней частицей: а - общая схема; б - приводной механизм; в, г - схемы сил, действующих на частицу. 118 При направлении силы инерции вправо (рис. 3.9в) равновесие частицы, находящейся на грохоте определяется уравнением: a 2Acos(/3 + s- p)=gsm( p-fi), (3.45) Где ф - угол трения частицы по материалу поверхности грохота. Для схемы рис.3.9г уравнение равновесия имеет вид: со2 Acos(fi + є + р) = gsm( p + ft), (3.46) Движение частицы вниз (уравнение 3.45) или вверх (уравнение 3.46) по решету начнётся в том случае, когда уравнения обратятся в неравенства, у которых левая часть больше правой. Достичь такого условия можно путем увеличения частоты или амплитуды колебаний, либо изменением углов риє. При действии сил по схеме 3.9в перемещение частиц по колеблющейся плоскости возможно без отрыва или с отрывом от плоскости. Момент начала отрыва частицы от плоскости решета определяется уравнением: a 2Asin(/] + e) = gcos/}. (3.47) Отрыв частиц от колеблющейся наклонной плоскости наступит тогда, когда уравнение 3.47 обратится в неравенство, у которого левая часть больше чем правая.
Приведённые уравнения описывают силовое воздействие колеблющейся наклонной плоскости на частицу массой т, не учитывая ни её формы, ни её размеров.
Для исследования процессов взаимодействия клубней картофеля с колеблющейся наклонной плоскостью в виде решётчатой поверхности необходимо учитывать их форму, размеры и конструктивные особенности отверстий решет, при этом следует учесть ту особенность формы, при которой углы трения качения значительно меньше углов трения скольжения.
Для обеспечения технологического процесса клубни, идущие по поверхности решета сходом, должны перекатываться по решётчатой поверхности. Кинематика и динамика процесса перекатывания клубней, имеющих в зависимости от сорта форму от близкой к шаровидной до близкой к эллипсоиду вращения по жесткой сетчатой поверхности, образованной правильными шестиугольниками, весьма сложны. В связи с этим рассмотрим сначала перекатывание шара.
Поскольку всякое тело стремится занять положение устойчивого равновесия то шар, накатываясь на шестиугольное отверстие будет частично западать в него, опираясь на его рёбра в точках ADBFKM, являющиеся серединами сторон шестиугольника (рис. 3.10).
Для дальнейшего движения по решету шаровидный клубень должен выкатиться из отверстия, что возможно при превышении сил и моментов, выкатывающих над удерживающими клубень в отверстии. Для определения этого условия необходимо сначала рассмотреть условие равновесия клубня в отверстии.
Перекатывание клубня в направлении технологического процесса возможно в вертикальной плоскости NN, направленной вдоль решета. Выкатывание клубня из отверстия будет происходить при его повороте вокруг точек В и F (рис. 3.10) по часовой стрелке.
Считая плотность клубня по всему объёму однородной можно сделать вывод, что силовые взаимодействия клубня в сечениях параллельными к плоскостям АВ и MF будут аналогичны. Рассмотрим равновесие клубня в отверстии воспользовавшись известным из теоретической механики [18, 19] условием: суммы проекций действующих на тело сил на координатные оси и суммы моментов относительно любой точки этого тела равны нулю.
