Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Анализ работы сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин 6
1.2. Факторы, влияющие на сепарацию почвы 14
1.3. Факторы, влияющие на повреждаемость картофеля 18
1.4. Выводы 23
1.5. Задачи исследования 24
2. Теоретические исследования шнеко-элеваторного сепаратора 26
2.1. Объект исследования 26
2.2. Производительность шнеко-элеваторного сепаратора 28
2.3. Теоретическое обоснование параметров шнека 32
2.4. Взаимодействие клубня картофеля с винтовой поверхностью шнека 41
2.5. Одновременное взаимодействие клубня картофеля с поверхностями шнека и пруткового элеватора 52
2.6. Дифференциальные уравнение взаимодействия клубня картофеля со шнеко-элеваторным сепаратором 55
2.7. Теоретическое обоснование параметров шнеко-элеваторного сепаратора 60
2.8. Выводы 64
3. Методика проведения лабора горно-полевых исследований 65
3.1. Методика проведения лабораторных исследований повреждаемости клубней картофеля с использованием хрупких покрытий 65
3.2. Методика проведения исследования повреждаемости клубней картофеля в лабораторно-полевых условиях 67
3.3. Выводы 69
4. Проведение и результаты исследования 70
4.1. Исследование повреждаемости клубней картофеля на лабораторной установке 70
4.1.1. Использование хрупких покрытий для оценки повреждаемости картофеля 70
4.1.2. Построение тарировочного графика 72
4.1.3. Определение коэффициента восстановления при упругом ударе клубня картофеля 76
4.1.4. Оценка повреждаемости клубней картофеля на лабораторной установке 80
4.2. Исследование сепарации почвы и повреждаемости картофеля шнеко-элеваторным сепаратором в лабораторно-полевых условиях 87
4.2.1 Влияние на сепарацию почвы частоты вращения шнека, линейной скорости и угла наклона элеватора 88
4.2.2. Влияние на сепарацию почвы величины просвета между прутками элеватора и угла подъема винтовой поверхности шнека 93
4.2.3. Исследование повреждаемости картофеля шнеко-элеваторным сепаратором 101
4.3. Полевые испытания 106
4.3.1. Объект испытаний 106
4.3.2. Условия проведения испытаний 108
4.3.3. Результаты полевых испытаний 109
4.4. Выводы 111
5. Технико-экономическая эффективность 113
5.1. Объект экономической оценки 113
5.2. Характеристика типичного хозяйства 115
5.3. Определение экономической эффективности применения картофелеуборочного комбайна КПК -2-01 117
5.3.1. Определение эксплуатационных затрат 117
5.3.2. Определение себестоимости произведенного картофеля 119
6. Общие выводы 122
Литература 126
Приложения 143
- Факторы, влияющие на повреждаемость картофеля
- Взаимодействие клубня картофеля с винтовой поверхностью шнека
- Оценка повреждаемости клубней картофеля на лабораторной установке
- Исследование повреждаемости картофеля шнеко-элеваторным сепаратором
Факторы, влияющие на повреждаемость картофеля
В процессе механизированной уборки и послеуборочной обработки клубней картофеля , начиная с момента выкапывания их и до момента, когда клубни закладываются на хранение, подвергаются динамическим и статическим нагрузкам, что приводит к механическим повреждениям. Механические повреждения клубней картофеля влияют на сохранность их в процессе хранения и на товарные качества.
На Центральной МИС [21] проводили исследования влияния различных видов механических повреждений клубней на их сохранность в течение пяти лет с клубнями сорта Лорх, прошедшими через весь комплекс машин при поточном способе уборки при сравнении с клубнями, убранными вручную (рис. 1.5).
Изучением механических повреждений клубней картофеля при механизированной уборке занимались: B.C. Митрофанов, В.И. Та-бачук, М.Е. Мацепуро, А.Н. Тимофеев, Е.А. Глухих, Л.Г. Безрукий, И.М. Полуночев, С.А. Каспарова и др., И.С. Нагорский и др., P.M. Михароб-лидзе, А.Т. Буряков, Е.И. Хизкилов, И.Р. Размыслович и Л.К. Рапинчук, Н.И. Кривогов, О.А. Сафразбекян, А.И. Бжезовская, И.Н. Масленков,
В.А. Мешкунов, Г.Д. Петров, Н.И. Верещагин, К.А. Пшеченков, В.М. Алесенко, С.А. Букасов, Т.И. Валуева, М.И. Ламм, Р.Л. Барейшис, В.Г. Лукин, Г.П. Солодухин, Ю.С. Измайлов, Л.С. Колотов, Н.Ф. Костюке-вич, В.И. Виноградов и др. и ряд других исследователей.
Наибольшие потери урожая наблюдаются у раздавленных клубней и с трещинами. Отсюда вытекает необходимость снижения механических повреждений клубней картофеля за счет уменьшения силового воздействия на них.
Болыпое значение при решении проблемы снижения повреждений клубней картофеля имеет конструкция рабочего органа и его параметры, оказывающие непосредственное воздействие на клубни. Поэтому очень важно вести не только поиск конструкций, но и тщательную отработку их параметров для различных условий работы. В этой группе необходимо выявить такие факторы, как скорость соударения, материал поверхности соударения, фрикционные свойства поверхности соударения, угол наклона поверхности соударения и др., которыми можно управлять с целью снижения повреждений клубней картофеля.
По результатам исследований, приведенных в многочисленной литературе, исследователи пришли к следующим выводам.
1. Крупные клубни повреждаются при падении с меньших высот больше, чем средние и мелкие.
2. Крупные клубни повреждаются при больших величинах живой силы при ударе больше, чем средние и мелкие.
3. Наибольшие повреждения при определенной величине живой силы удара имеют мелкие клубни.
4. Крупные клубни в динамических условиях повреждаются в процентном отношении больше, чем средние.
5. Различные сорта картофеля обладают разной повреждаемостью. Клубни, имеющие более высокую упругость (больший коэффициент восстановления), меньше повреждаются при механизированной уборке.
6. Напряжение сжатия клубня и модуль упругости Е неодинаковы при сжатии клубня по толщине, ширине и длине вследствие того, что прочность слоев клубня от кожуры к сердцевине неодинакова. Большие значения соответствуют длине, затем ширине и толщине (Еа =10,1Мпа, Е,= 9,4 МПа; Ес= 9,2 МПа).
7. Наиболее благоприятная форма клубня с точки зрения неповреждения их является сферическая. При ударе о любую поверхность клубни правильной формы (округлой) повреждаются меньше, чем клубни, имеющие неправильную форму, причем особенно легко повреждаются клубни большей массы уродливой формы.
8. Показатели прочности кожицы клубня чрезвычайно близки к показателям прочности почвенных комков, поэтому при разрушении почвенных комков повреждения кожицы клубней неизбежны.
9. С уменьшением влажности клубня увеличивается усилие раздавливания.
10. Повреждаемость клубней при ударе быстро уменьшается в зависимости от потери влажности клубня при провяливании на воздухе.
11. Влажность почвы оказывает большее влияние на травмирование мякоти клубня, чем кожуры. Травмирование клубней увеличивается при влажности почвы ниже 17% и выше 23%.
12. С увеличением загрузки сепаратора повреждаемость клубней уменьшается и наоборот.
13. С увеличением угла наклона элеватора увеличивается повреждаемость клубней.
14. Увеличение линейной скорости полотна сепаратора ведет к увеличению повреждаемости клубней.
15. Травмирование клубней увеличивается при температуре почвы ниже+10 С.
16. Наибольшие повреждения наблюдались при соударении с «голыми» прутками, затем с металлической плитой, обрезиненными прутками, клубнями, почвой.
17. С увеличением длины сепарирующей поверхности повышается повреждаемость клубней.
18. Допустимой скоростью соударения с металлической плоскостью является 2,6 м/с, с прутковым элеватором - 1,4 м/с.
19. Допустимая высота падения клубней на прутковую необрези-ненную решетку находится в пределах 0,1... 0,15 м.
20. Увеличение поступательной скорости машины приводит к уменьшению повреждаемости клубней.
21. С увеличением примесей почвы в сходах снижается повреждаемость клубней.
22. Почвенная прослойка между клубнем и соударяемой поверхностью значительно снижает их повреждаемость; при толщине прослойки в 30 см влажностью 18,3 ... 19,1 % клубни полностью предохраняются от повреждений.
23. Допустимой высотой падения следует считать при ударе о металлическую плоскость 0,25 м, при ударе о клубни - 0,75 м, при ударе о супесчаную почву до 4 м, при ударе о пустотелый резиновый элемент диаметром 8 мм - 1,0 м, при ударе о резиновый вкладыш диаметром 12 мм- 1,25 м.
24. Допустимой высотой падения на элеватор следует считать 0,25м, но при этом разрушается всего 8,2% комков.
25. Увеличение площади контакта в месте приложения силы уменьшает повреждаемость клубней.
26. Опытами установлено, что обрезиненные поверхности допускают скорость соударения в 1,5 раза, а резиновые - в 2,5 раза, большую, чем металлические.
27. Среднее допустимое напряжение в клубнях равно 1,5 МПа, что примерно в 5 раз выше временных сопротивлений сжатию комков.
28. Ударная нагрузка вызывает в почвенных комках деформации сдвига и разрыва почвенных частиц, поэтому принцип удара при разрушении комков почвы менее энергоемкий.
Учитывая, что в процессе прохождения клубненосной массы по рабочим органам картофелеуборочной машины идет процесс отделения мелких частиц почвы и процесс разрушения комков почвы, нами были проанализированы материалы статей [99,102,103,115,118], посвященных процессу разрушения комков почвы при сбрасывании их на металлические поверхности. Из статей был сделан следующий вывод:
Наибольшее влияние на разрушаемость комков почвы оказывает влажность. Если считать допустимой высотой падения 0,25 м и, соответственно, скорость соударения 2,21 м/с, то при этих значениях, возможно, разрушить до 50% почвенных комков тяжелого суглинка влажностью до 20% и совсем не разрушаются комки почвы деградированного чернозема влажностью 10,83%. Это говорит о том, что при пониженной влажности почвы затруднительно разрушить прочные почвенные комки за счет перепадов при сохранении допустимой высоты падения, а необходимо изыскивать другие способы разрушения и отделения их.
Взаимодействие клубня картофеля с винтовой поверхностью шнека
Проанализируем процесс взаимодействия клубня картофеля с винтовой поверхностью шнека.
Окружную скорость шнека можно определить, рассмотрев процесс работы или процесс взаимодействия клубней картофеля с винтовой поверхностью. Почва, клубни картофеля, растительные остатки и другие примеси подаются элеватором со скоростью г эл к шнеку, который, вращаясь, воздействует на них винтовой поверхностью со скоростью УОКРЦЪ Клубни картофеля и комки почвы соударяются с винтовой поверхностью шнека со скоростью УСОУД ПОД углом Д и отбрасываются под углом /?+ к направлению подачи со скоростью ЫпшУ. Затем при достижении клубнем скорости ипу =0, они возвращаются элеватором к шнеку и снова подвергаются ударному воздействию, в результате которого отбрасываются назад и под углом к направлению подачи их. Так может повторяться несколько раз. Некоторые клубни картофеля проходят в межвитковое пространство, а затем перемещаются винтовой поверхностью со скоростью У ш В данном случае взаимодействие клубней картофеля и комков почвы с винтовой поверхностью необходимо рассматривать с точки зрения ударного воздействия. Тогда частоту вращения шнека можно определить из условия, что суммарная скорость ударного воздействия клубней картофеля не должна превышать того значения скорости соударения, при котором клубни картофеля получают недопустимые повреждения [48].
Рассмотрим схему взаимодействия клубня картофеля с элементом винтовой поверхности шнека, показанную на рис. 2.5.
Для упрощения расчетов и анализа можно принять, что винтовая поверхность покоится, а клубень картофеля соударяется с ней со скоростью УСОУД. Это предположение не меняет сущности процесса ударного взаимодействия, так как движение после удара тел зависит только от относительной скорости их поступательного движения до удара [3,77].
Рассмотрим схему косого удара, показанную на рис. 2.6. Общий случай соударения включает наличие угловых и поступательных скоростей движения обоих тел произвольной формы относительно трех координатных осей. При ударе могут появляться различные виды фрикционного взаимодействия. При соотношении тангенциальных и угловых скоростей тел, обеспечивающих результирующий вектор тангенциальной скорости на площадке соприкосновения, не равной нулю, можно получить сцепление или трение скольжения. Если величина относительного перемещения соударяющихся тел, определяемая тангенциальной скоростью удара, временем соударения и силой трения не превышают величины предельного смещения, то удар начинается и заканчивается в области предварительного смещения. При дальнейшем увеличении тангенциальной скорости возникает скольжение, когда соударение тел сопровождается вращением хотя бы одного из них, реализуется сцепление или скольжение с перекатыванием. При некоторых условиях возможно качение соударяемых тел [77].
Из множества вариантов косого соударения рассмотрим вариант, представляющий интерес и который не встречает значительных затруднений при исследовании. Введем ограничения: а) сведем соударение к соотношение (2.48) дает отрицательные значения для tg(fi+) и, следует принять tg(j3+) = 0, считая, что клубень отскакивает по нормали к поверхности.
Для полной определенности движения точки после косого удара необходимо, кроме величины угла отражения, знать еще и величину послеударной скорости. Величина послеударной скорости определяется [64]
Пользуясь зависимостями (2.48) и (2.50), определим угол отражения и послеударную скорость для клубней и комков почвы при конкретных условиях.
Из анализа косого удара видно, что тангенциальный ударный импульс вызывает фрикционное взаимодействие, а нормальный ударный импульс вызывает деформацию сжатия. Результатом фрикционного взаимодействия клубня картофеля с поверхностью соударения является, как правило, обдир кожицы, а результатом деформации сжатия - появление трещин, нарушение клетчатой структуры и в худшем случае -раскалывание клубней картофеля. Фрикционное взаимодействие клубней картофеля с поверхностью соударения осуществляется на небольшой площадке, величина которой значительно меньше — поверхности клубня [3,14,25,95]. Отрицательный эффект, с точки зрения механического повреждения клубней картофеля, значительно меньше от воздействия тангенциального ударного импульса по сравнению с отрицательным эффектом, производящим нормальным ударным импульсом. Отсюда вытекает необходимость уменьшения нормального ударного импульса. Так как величина нормального ударного импульса находится в прямой зависимости от нормальной составляющей скорости соударения, то уменьшить ее можно за счет уменьшения нормальної ставляющей скорости соударения.
При ударе неупругих тел происходит потеря кинетической э гаи, расходуемая на остаточную деформацию и нагревание тел. В к нях картофеля остаточная деформация связана с нарушением клеточной структуры и. как следствие, повреждением их.
Из формулы (2.51) следует, что снизить потери кинетичес энергии при соударении клубня картофеля с препятствием (и, след тельно, уменьшить повреждения клубней) можно за счет увеличения эффициента восстановления к, уменьшения скорости соударения vc и уменьшения массы клубня картофеля ТП. Поскольку в задачу се. пионеров входит выведение высокоурожайных сортов и, следовател увеличение доли клубней картофеля в кусте большей массы, то умі шением массы нельзя добиться уменьшения повреждения клубней ] тофеля. Поэтому снижение механических повреждений клуб картофеля возможно за счет увеличения коэффициента восстановле и уменьшения скорости соударения.
В данном случае, как видно из формулы (2.52), снижение повреждение клубней картофеля, т. е. увеличение приведенного коэффициента восстановления можно достичь за счет повышения упругих свойств клубня картофеля и материала поверхности соударения.
Итак, количественный и качественный анализ формул теории удара позволяет сделать вывод, что уменьшить повреждения клубней картофеля за счет повышения антифрикционных свойств поверхности соударения, повышения упругих свойств клубней картофеля и материала поверхности соударения и уменьшения скорости соударения.
Повышение упругих свойств клубней картофеля входит в задачу селекционеров, которые должны выращивать сорта, пригодные к механизированной уборке.
Повышение упругих свойств поверхности соударения можно достичь покрытием этой поверхности материалами, имеющими высокие упругие свойства, например, резиной.
Что касается скорости соударения, то здесь возможно уменьшение повреждение клубней картофеля за счет нормальной составляющей этой скорости, уменьшение которой достигается изменением утла наклона соударения, т.е. переходом от прямого удара к косому.
Рассмотрим характер изменения нормальной составляющей скорости соударения от угла наклона поверхности соударения. Уменьшение угла наклона ОС ведет к уменьшению нормальной составляющей, как это видно из рис. 2.6. При ОС = 90 наблюдается прямой удар, а при ОС 90 - косой удар. Ранее проведенными исследованиями [54] установлено, что с уменьшением угла соударения уменьшается повреждаемость клубней картофеля, т.е. существуют прямая корреляционная связь между нормальной составляющей скорости соударения и повреждаемостью клубней картофеля и обратная корреляционная связь между касательной составляющей скорости соударения и повреждаемостью клубней картофеля. Таким образом, уменьшение нормальной составляющей скорости соударения ведет к уменьшению повреждаемости клубней картофеля.
Введем ограничения скорости по нормальной составляющей, т.е. значение нормальной составляющей скорости соударения не должно превышать допустимой скорости соударения при прямом ударе и выра-жение (2.43 ) примет вид УСОУД.П = эл sm(a}) + vOKPIU БІШУ) уДОПп (2.53)
Исследованиями установлено, что скорость элеватора, при которой эффективно сепарируется почва, находится в пределах Уэл = 1,5... 1,8 м/с [49,93,99,142]. Допустимая скорость соударения клубней картофеля при соударении с металлической поверхностью 2,0 м/с, а с обрезиненной поверхностью -3,0 м/с [48,49,50].
Из приведенного анализа косого соударения видно, что для достижения лучшего разрушения комков почвы при допустимых повреждениях клубней картофеля, необходимо варьировать не только скоростью соударения за счет изменения скорости вращения шнека и скорости движения элеватора, но и углом наклона поверхности соударения, изменение которого приводит к изменению нормального импульса силы, воздействующего на материал. Верхние граничные условия определяются из выражения (2.55). Поэтому желательно иметь и устройство, которое позволило бы менять скорость соударения и угол наклона поверхности соударения.
Оценка повреждаемости клубней картофеля на лабораторной установке
Проверка повреждаемости клубней картофеля при взаимодействии со шнеком проводилась на лабораторной установке, представляющей собой картофелеуборочный комбайн КПК-2-01, на котором были сняты защитные заслонки, направляющие и другие элементы, позволяющие с минимальными трудозатратами менять прутковое полотно, шнеки и загружать клубненосную массу, которая подвергалась переработке. Это позволило приблизить экспериментальные исследования к реальным условиям работы комбайна в поле.
Подготовленные к эксперименту клубни картофеля укладывались на прутковый элеватор перед шнеком и, на установленном режиме трансмиссия приводилась в действие, пока клубни картофеля не оказывались за шнеком. После остановки трансмиссии клубни картофеля снимались с элеватора, и проводился их осмотр и замер пятна повреждения хрупкого покрытия.
На рис. 4.8 показаны снимки фрагментов испытания повреждаемости клубней картофеля на лабораторной установке.
Эксперимент на лабораторной установке проводился с целью определения оптимальных параметров частоты вращения шнека, коэффициента восстановления упругого удара клубня картофеля о винтовую поверхность шнека и линейной скорости элеватора при минимальном уровне повреждаемости клубней картофеля.
В лабораторной установке использовались четырехзаходные шнеки диаметром 0,5 м.
При проведении исследований применяли метод планирования эксперимента [2,40,57,58].
В качестве параметра оптимизации повреждаемости клубней была принята минимальная величина диаметра пятна повреждения хрупкого покрытия, нанесенного на клубни.
Факторы, влияющие на повреждаемость картофеля, уровни их варьирования, план эксперимента и результаты эксперимента приведены в таблицах 4.2, 4,3 и 4.4.
Наилучший результат получен в 12 и 13 опытах.
Таким образом, минимальный диаметр повреждения хрупкого покрытия получен при частоте вращения шнека 2,9...3,1 с"1, при линейной скорости элеватора 1,66... 1,75 м/с, и при коэффициенте восстановления упругого удара клубня картофеля о винтовую поверхность шнека 0,7... 0,75.
В таблице 4.5 приведены марки резины, которым соответствует найденный коэффициент восстановления.
Повышение угловой скорости вращения шнека и линейной скорости элеватора до обозначенных пределов снижает повреждаемость картофеля, так как уменьшается время взаимодействия клубней с поверхностью шнека и элеватора. При увеличении угловой скорости вращения шнека и линейной скорости элеватора повреждаемость картофеля увеличивается, так как возрастает скорость соударения клубней с винтовой поверхностью шнека.
Исследование повреждаемости картофеля шнеко-элеваторным сепаратором
Эксперимент по выявлению влияния на повреждаемость картофеля частоты вращения шнека, линейной скорости элеватора и коэффициента восстановления при ударе клубня картофеля о винтовую поверхность шнека проводили на среднем суглинке влажностью 12,75% и средней твердости 1,44 МПа. Шнек четырехзаходный диаметром 0,5 м.
Факторы, влияющие на повреждаемость картофеля, уровни их варьирования, план эксперимента и результаты эксперимента приведены в таблицах 4.15 и 4.16.
Судя по количественной оценке коэффициентов в меньшей степени на повреждаемость картофеля влияет линейная скорость элеватора, в большей - коэффициент восстановления при упругом ударе клубня картофеля о винтовую поверхность шнека.
Для оптимизации исследуемого процесса применим градиентный метод, расчет которого приведен в таблице 4.13.
Таким образом, для того чтобы процент повреждаемости картофеля не превышал 3%, частота вращения шнека должна находиться в пределах 2,7...2,9 с"1, линейная скорость элеватора в пределах 1,6... 1,8 м/с, коэффициент восстановления упругого удара клубня картофеля о винтовую поверхность шнека 0,69... 0,77.
Повышение угловой скорости вращения шнека и линейной скорости элеватора до обозначенных пределов снижает повреждаемость картофеля, так как уменьшается время взаимодействия клубней с поверхностью шнека и элеватора. Чем больше время взаимодействия, тем больше вероятность обдира кожицы картофеля. В опытах со шнеками при малых частотах вращения и малых линейных скоростях элеватора преобладали клубни с обдиром кожицы. При увеличении угловой скорости вращения шнека и линейной скорости элеватора повреждаемость картофеля увеличивается, так как возрастает скорость соударения клубней с винтовой поверхностью шнека.
