автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля

\

На правах рукописи

ШКЛЯЕВ Артём Леонидович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИСКОВОЙ ПЛОСКОРЕШЕТНОЙ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

1 5 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005567252

Киров - 2015

005567252

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Тракторы, автомобили и сельскохозяйственные машины».

Научный доктор Технических наук, профессор Максимов Леонид

руководитель: Михайлович, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Тракторы, автомобили и сельскохозяйственные машины».

Сайтов Виктор Ефимович, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», старший научный сотрудник отдела механизации.

Созонтов Александр Владимирович, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», старший преподаватель кафедры «Эксплуатация и ремонт машинно-тракторного парка».

Ведущая Федеральное государственное бюджетное образовательное

организация: учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».

Защита состоится 09 июня 2015 года в 16 часов 00 минут на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина 166-а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» и на официальном сайте института: niish-sv.narod.ru.

Автореферат разослан ^^ апреля 2015 года.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из наиболее трудоемких отраслей сельского хозяйственного производства является овощеводство, как по Удмуртии, так и в целом по Российской Федерации. Картофель является основной овощной культурой. Значительные затраты труда приходятся на уборку и послеуборочную обработку клубней картофеля. Их снижение возможно за счет использования машинных технологий уборки и сортирования картофеля с применением машин, отвечающих агротехническим требованиям. Использование устаревшего, изношенного и энергоемкого оборудования не эффективно, например, применение картофелесоргировальных пунктов КСП-15Б с роликовой сортировкой, которая значительно повреждает клубни картофеля, приводит к значительному снижению рентабельности производства. В связи с этим создание более эффективных, надежных и экономичных машин и совершенствование их параметров является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. В нашей стране весомый вклад в разработку и изучение машин и оборудования для очистки и сортировани сельскохозяйственных культур внесли В.П. Горячкин, Н.И Верещагин, Е.А. Глухих, H.H. Колчин, Ю.И. Кириенко, К.А. Пшеченков, Г.Д. Петров, Н.В. Шабуров, Б.М. Юн, Р.И. Останин, М.Ю. Васильченко, С.П. Игнатьев, В.А. Сысуев, Н.П. Сычугов, A.B. Алешкин, A.B. Костин, КЛ. Шкляев и другие ученые. Проанализировав труды данных ученых можно сделать вывод, что не один из линейных размеров клубней как и зерен различных сельскохозяйственных культур не является доминирующим при очистке и калибровании. Но, если рассматривать со стороны вероятности прохождения клубня картофеля в калибрующее отверстие выгодное место занимает толщина клубня, так как разделение идет в щелевых отверстиях, у которых высокая пропускная способность. Последовательность, в которой выделяются фракций из вороха, имеет большое значение, наиболее рациональный технологический вариант калибрования является от крупного к мелкому. Из потока первыми отделяют наиболее крупные клубни, это снижает их повреждаемость и разгружает дальнейшие участки рабочих органов калибрующего устройства, что способствует повышению производительности калибрования на 25...40%.

Отмечая достаточно высокую степень разработанности темы диссертационного исследования, следует констатировать, что в работах выше указанных авторов не рассматриваются вопросы калибрования картофельного вороха через щелевые, концентрически навитые отверстия плоских вращающихся решет.

Цель и задачи исследования. Целью работы является обоснование параметров и режимов работы дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля путём совершенствования рабочего органа калибрующего устройства центробежного типа.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

- разработать конструкционно-технологическую схему дисковой плоскорешетной сортировки позволяющей настраивать управляемые факторы процесса калибрования;

- теоретически описать процессы взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами, позволяющие исключить травмирование клубней или снизить их до минимума;

- экспериментально получить регрессионные модели зависимости параметра оптимизации от существенных факторов процесса калибрования и оптимизировать режимы работы дисковой плоскорешетной сортировки;

- провести испытания работы дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля в производственных условиях;

- определить технико-экономическую и энергетическую целесообразность использования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля.

Научная новизна работы. Разработана и обоснована конструкционно-технологическая схема дискового плоскорешетного устройства сортирующего картофель. Новизна технического решения защищена патентами РФ №2537723 и №2441359.

Получены аналитические зависимости по определению конструкционно-технологических параметров нового рабочего органа. Разработана регрессионная модель функционирования процесса калибрования по качественному критерию оптимизации (точность калибрования). Определены рациональные конструкционные параметры и технологические режимы работы, обеспечивающие высокую точность калибрования при сравнительно малом диаметре решета и при снижении энергоемкости процесса.

Теоретическая и практическая значимость работы. Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы позволяют обосновать основные конструкционные и технологические параметры дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля, которые могут быть использованы при конструировании и проектировании проектно-конструкторскими организациями.

Результаты полученные в ходе научных исследовании внедрены в технологический процесс послеуборочной доработки клубней картофеля ЗАО «Ро-сЕвроплант» Завьяловского района Удмуртской Республики (УР).

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы теоретические исследования проводились по методике математического и механического моделирования взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами дискового плоскорешетного сортирующего устройства в процессе их движения. Проведены однофакторные и многофакторные эксперименты на клубнях картофеля. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением физического, математического и статистического моделирования, сертифицированные приборы и современная вычислительная техника.

Положения, выносимые на защиту:

- конструкционно-технологическая схема дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля;

- аналитические выражения, позволяющие обосновать конструкционно-технологические параметры дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля;

- регрессионная модель процесса функционирования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля, позволяющая определить оптимальные значения конструкционно-технологических параметров;

- результаты испытаний дискового плоскорешетного устройства в производственных условиях;

- экономические и энергетические показатели использования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность основных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями, положительными результатами лабораторных и производственных испытаний, эксплуатацией дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены:

- на Всероссийских научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА в 2011-2014 гг.;

- на VI этапе регионального конкурса по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») по Удмуртской республике, г.Ижевск 2014 г.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 2 из них в ведущих рецензируемых журналах, 9 статей опубликовано в материалах Международных и Всероссийских конференций. Получено 2 патента на изобретения РФ №2537723 «Плоское круглорешетное устройство для разделения корнеклубнеплодов на фракции» и №2441359 «Устройство для разделения корнеклубнеплодов на фракции роторно-чашечного типа».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 152 наименований и приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков, 16 таблиц и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится краткое изложение основных вопросов исследуемой задачи, обоснована актуальность исследований, приведены основные положения диссертации выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основании литературных и патентных источников проведен анализ современного состояния проблемы повышения эффективности сортирования. Свой вклад в данную проблему внесли авторы В.П. Горячкин, Н.И Верещагин, Е.А. Глухих, H.H. Колчин, Ю.И. Кириенко, К.А. Пшеченков, Г.Д. Петров, Н.В. Шабуров, Б.М. Юн, Р.И. Останин, М.Ю. Васильченко, С.П. Игнатьев, В.А. Сысуев, Н.П. Сычугов, A.B. Алешкин, A.B. Костин, КЛ. Шкляев и другие ученые. Проанализированы физико-механические свойства клубней. Приведена классификация устройств и признаков разделения и классификация рабочих органов, применяемых для калибрования клубней по размерным признакам. Проведен аналитический обзор рабочих органов.

По разделу сделаны следующие выводы:

1. Предпочтение в выборе признака калибрования клубней картофеля заслуживают его линейные размеры, наибольшей стабильностью среди которых выделяется толщина.

2. Калибрующая поверхность рабочего органа должна содержать щелевые отверстия, так как их пропускная способность является максимальной.

3. Параллельный метод разделения клубней картофеля на фракции должен иметь приоритет при выборе технологической схемы функционирования сортировки, так как при этом повышается производительность и качество калибрования.

4. Рабочий орган обязан сохранять постоянные размеры калибрующих отверстий, чтобы процесс разделения на фракции не нарушался.

5. Наилучшее ориентирование клубней картофеля на всей рабочей поверхности достигается при перекатывании их вдоль калибрующих отверстий.

6. При конструировании машин для разделения клубней картофеля на фракции нужно ориентироваться на калибрующие устройства с наименьшими габаритами рабочих поверхностей, работающих с минимальным расходом энергии, это позволяет уменьшить повреждения клубней картофеля и понизить издержки эксплуатации.

Во втором разделе «Теоретические исследования параметров и режимов движения рабочих органов дисковой плоскорешеггной сортировки клубней картофеля» представлена конструкционно-технологическая схема дисковой плос-корешегной сортировки для разделения клубней картофеля на фракции (рисунок 1).

Дисковая плоскорешетная сортировка клубней картофеля состоит из калибрующих дисковых решет 1, 4 и питающего транспортера 13. Клубни картофеля подаются питающим транспортером на вращающиеся решета, где калибрующая поверхность разделяет их на фракции. Клубни мелкой и средней фракции проходят сквозь щелевые отверстия между образующими прутками первого решета, а крупные клубни переходят по калибрующей поверхности решета в выгрузную зону. В свою очередь на втором решете средняя фракция сходит с поверхности, а мелкая проваливается сквозь образующие в приёмный лоток.

Также рассмотрено движение клубней по дисковому плоскорешетному сортирующему устройству с целью определения условий взаимодействия клубня с рабочим органом, позволяющие исключить травмирование клубней или свести их к минимуму. Использование законов теоретической механики и математического аппарата позволило формализовать описание рабочего процесса и качественно оценить условия движения клубня по пруткам калибрующей поверхности.

Движение клубня по калибрующей поверхности представляет собой сложный процесс, который можно разделить на два чередующихся этапа: I) движение клубня вдоль направляющих концентрических прутков; И) переход клубня через образующий пруток в следующий ряд. На каждом этапе клубни испытывают удары и давления со стороны прутков калибрующей поверхности, подъемной планки и друг с другом, которые могут их повредить, что ведет к

потерям при хранении и снижению качества продукции. Данное обстоятельство накладывает жесткие требования к скорости движения клубней и силам их взаимодействия, как между собой, так и с рабочим органом.

Исследование движения клубней позволило проверить условия травмобе-зопасности вороха клубней картофеля на каждом этапе рабочего процесса. Принято, что клубень изотропен и имеет форму шара.

На первом этапе происходит перемещение клубня вдоль направляющих концентрических прутков дискового решета. Клубень совершает сложное движение по поверхности калибрующего решета. Само решето совершает переносное движение, а клубень относительное движение. Схема сил, действующих на клубень, показана на рисунке 2.

Г Г/Ш

Т / + / / ( V.

11 и---] 4 II

Кщрнт ¡рращия

Рисунок 1 - Общий вид дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля: 1-первое решето; 2-вал; 3-ступица; 4- второе решето; 5-обод кожуха; 6-приёмник; 7-рама; 8-редуктор; 9-подъемная планка; 10-выгрузной лоток мелкой фракции; 11- выгрузной лоток средней фракции; 12-подшипник; 13—питающий транспортер; 14-спица; 15- выгрузной лоток крупной фракции; 16-сектор-обод

g

Рассмотрим клубень, находящийся в центральной части решета (рабочей поверхности) после подачи с питающего транспортера.

Введем подвижную естественную систему координат КгтЬ , запишем дифференциальные уравнения движения клубня относительно прутков решета в классической форме, дополнив их уравнением динамики вращательного движения:

m-S = Fx+F2,

= inO-Ф + Ф^, (!)

П

О = (JV, + N2) ■ cos® - т ■ g, ]-ф = -{Fl + F2) ■ R ■ cos©.

где т - масса клубня, кг;

РХ,Р2- силы трения, Н;

/V, > Л^ — нормальные реакция прутков, Н;

г, - расстояние сгг оси вращения до центра масс клубня в данном ряду, м; V' - скорость центра масс клубня относительно прутков решета, м/с; ф _ угловое ускорение при собственном вращении клубня, рад/с; I- момент инерции клубня относительно центра масс, кг м ; Я - радиус клубня, м; 5 - дуговая координата;

0 - угол западения клубня в отверстие между прутками, рад.

Рисунок 2 - Схема сил при сложном движении клубня вдоль направляющих прутков

Решая эту систему уравнений, получаем значение нормальных реакции

опор:

m-g (m-Sl , „ . ^

/(2 sin©)

m-Sl 2 „ л

N2=-l-+ , (2)

2-sin© 2 cos© V ;

где со, - угловая скорость переносного движения (вращения решета), рад/с;

Система уравнения (1) имеет смысл, только при условии, что обе нормальные реакции Л^и N2 больше нуля. Анализ сил, рисунок 2, показывает, что при достаточной величине угловой скорости решета сое нормальная реакция Nj может стать равной нулю, а так как это не удерживающая связь, то в этот момент начнется движение вдоль радиуса. Клубень оторвется от левого прутка и начнет совершать сферическое движение вокруг точки контакта К2 с правым прутком.

Найдем угловую скорость решета:

^Jg-rr'8О^о (3)

п

Критическое значение скорости 0)е для разных радиусов г, расположения клубня и для разных размеров клубней. При размере й=50 мм, диаметре прутков d= 5 мм, и радиусе г, расположения центра масс клубня в пределах 0,2...0,6 м для условно проходных клубней с размером 2R= 52 мм получаем критические значения угловой скорости решета <ae=10,47...5,80 рад/с, что соответствует частоте вращения л=100...55 мин"1. Большие значения найдены при малом радиусе г,=0,2 м. С другой стороны для клубней с размером 2Л=100 мм критические значения соответственно равны ^ =6,15... 3,31 рад/с (/т=59...32 мин"1). Таким образом, угловая скорость решета, достаточная, для возможного движения клубня вдоль радиуса, существенно в 1,83 раза отличается в центральной части решета и на периферии. Кроме того она зависит от размеров клубней.

Качение клубня вдоль направляющих концентрических прутков вращающегося решета происходит с постоянной угловой скоростью, определяемой по выражению:

<Р =-9— (4)

R-cos© у '

Причем для клубня с диаметром 2R=52 мм (при размере h между прутками й=55 мм угол 0 = 61,3 ) получаем скорость ф = 16,0 рад/с; аналогично для

клубня с диаметром 2/г=100 мм, угол © = 28,4°, ф = 4,5 рад/с. Скорость центров масс клубней одинаковые и составляют 0,2 м/с.

На втором этапе происходит сферическое движение клубней относительно прутков решета. Рассмотрим клубень, находящийся в центральной части решета после подачи с питающего транспортера, рисунок 3.

На клубень действуют сила тяжести нормальные реакции прутков N¡4 При вращении клубни начинают катиться вдоль направляющих прутков, отставая от вращающегося решета. Угловая скорость собственного вращения'клубня обозначена ф, где р-угол поворота клубня. Введем естественную систему координат. Нормальная Спи касательная Сгоси свяжем с центром масс клубня С. Вследствие отставания клубня от вращающегося решета, центр масс С имеет касательную составляющую скорости относительно движущегося решета Имеет место сложное движение, в котором решето совершает переносное движение, а клубень движется относительнорешета. Вследствие этого на клубень действуют переносные силы инерции: Ф- центробежная переносная сила инерции; Ф1,р- нормальная кориолисова сила инерции.

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на клубень, находящийся между направляющими прутками

Анализ схемы на рисунке 3 показывает, что для перехода клубня на следующий ряд, то есть перекатывания вокруг правого прутка, необходимо чтобы возник достаточный по величине результирующий момент:

М = = (5)

где Д - радиус сферы, ограничивающий шаровидный клубень, м.

Чем ближе размер клубня к ширине щелевого отверстия, тем глубже его залегание и тем больше угол©. То есть ухудшаются условия перехода клубня от центра к периферии решета, так как из неравенства (5) не следует увеличивать угловую скорость вращения решета со,, в этом случае растет величина центробежной силы инерции, действующей на клубень. Но на периферии решета сила инерции Ф становится слишком большой и клубни при сходе с решета приобретают значительную скорость, ударяются о борта машины и могут сильно повредиться. Значит, следует выполнить противоречивое условие при выборе скорости решета: с одной стороны следует обеспечить возможность транспортирования вороха от центра к периферии решета, с другой стороны следует ограничить скорость схода клубней картофеля с решета для уменьшения трав-моопасности. С целью решить это противоречивое условие под поверхностью решета устанавливается подъемная планка. Она поднимает запавшие клубни картофеля из щелевых отверстий и способствует ограничению рабочей поверхности.

Рассмотрим процесс перехода клубня через направляющий пруток в следующий ряд к периферии, рисунок 4.

Клубень имеет две степени свободы: собственное вращательное движение вдоль прутка—ф, и вращательное движение вокруг прутка -©.

6

Л' 1* ^ /\ п Фьр1 (\ / 9 \ Ф

Vр / л.

У///////л г*? (/_/, тд

Рисунок 4 - Сферическое движение клубня при перекатывании через направляющий пруток

Связи, накладываемые на систему, являются голономными, поэтому удобно использовать уравнение Лагранжа II рода:

£ Л

где Т- кинетическая энергия клубня; <7, - обобщенная координата; I — время;

- обобщенная сила.

дТ | дТ _

) дд, ""

Кинетическая энергия клубня равна

Т =

т-¥2 1-а2

2 2 где т - масса клубня, кг;

Ус - скорость центра масс, м/с; 2

/-главный центральный момент инерции клубня, кг м ; а - угловая скорость клубня, рад/с.

Дифференциальное уравнение движения по обобщенной координате 0

(1 + т.К2)-@ + т-те-гк-ф-Я-5т&-^-ф2 Я2-зт2 & = -т 8-Я вт&. (8)

Дифференциальное уравнение движения по обобщенной координате <р [/ + от-Л2-со520[ф-т-Я2 ■¡лп2 ®-® ф+т ае гк Я 5тв & = 0, (9)

где гк - радиус определяющий положение точки К2 на решете, м.

Решаем совместно систему уравнений (8) и (9), используя приложение «Мар1е», для поиска конечных результатов, необходимо задать начальные условия: при /=0 начнется отсчет угла поворота .

Начальные угловые скорости 0ои ф0 находим при исследовании движения клубня по подъемной планке, рисунок 5.

/ \ с 1 ^

А / Н X

---1—\— < - .

V 1 .

а

Рисунок 5 - Схема для исследования удара клубня о подъёмную планку: а -продольный разрез; б- вид слева

Используя теорию неупругого удара, находим скорость клубня в результате взаимодействия с подъемной планкой. Для этого запишем составляющие скорости и кинетической энергии клубня до и после удара.

Составляющие скорости до удара

Г.1/-0 =(®-1 -¿о)-«»®. <10)

эта.

Составляющие скорости после удара

»;|.-о (п)

где к„ — коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости тела после удара.

Кинетическая энергия клубня до удара

_ /и• (о>• -50)2 • соб2а , т-к$-{а-г,-Б0)2-зт2 от . 1 ч - ,

/_0_ _ + --+ • (,2)

Кинетическая энергия клубня после удара

(13)

Находим искомую скорость центра масс клубня после удара

К ,=40 = (о-';-50)-с050г-^|. (14)

Определим скорость центра масс клубня при его подъеме до верхней кромки планки. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии

Т-Т0 = -т^-АЛ, (15)

где Т, Т0 - кинетическая энергия клубня в конце и в начале движения соответственно, Дж;

—сила тяжести клубня, Н; АЛ — высота подъема, м.

Скорость центра масс клубня при его подъеме до верхней кромки подъемной планки

£о Ч*

к =1«. &ГТГ~

с 7 ' х |/=+о 8

R(cosa-cosQ)-~

(16)

Скорость центра масс направлена вдоль подъемной планки, следовательно, можно найти начальные угловые скорости ф0 и 0О поворота клубня в сферическом движении. Разложим скорость центра масс клубня на составляющие проекции абсолютной скорости Ус центра масс клубня, однако в сферическом движении необходимо рассматривать скорость центра масс относительно вращающегося решета. В таком случае, относительная скорость

5 = а • /- — Ус ■ собсг, а начальная угловая скорость поворота клубня по координате (р равна

■ I . со-г,-Ус-со%а

Я«=о = <0Ь=-'■—±-■ (17)

К

Начальное значение угловой скорости поворота по координате 0 равно

А У.-ьта , „,

®и = ®о=-^—• (18)

Подставляем найденные начальные условия в приложение Maple, получаем следующие решения системы дифференциальных уравнений (8) и (9) в виде разложения функции в степенной ряд Маклорена.

Покажем примеры решения системы дифференциальных уравнений для клубня, радиуса #=26 мм при радиусе расположения его центра масс относительно оси вращения решета г=0,2 м. Эти ограничения связаны с тем, что рассматриваются самые неблагоприятные сочетания факторов.

Для анализа полученных зависимостей угла поворота ©(/) построены графики, рисунок 6. Угол поворота 0 в начальный момент времени равен 0О, что соответствует начальному положению, показанному на рисунке 4. Направление отсчета угла 0 выбрано таким образом, что при перекатывании клубня через пруток, значение угла уменьшается до 0 рад, что соответствует вертикальному расположению центра масс клубня над центром прутка. Затем значение угла 0 должно становиться отрицательным, так как происходит западение его в следующее щелевое отверстие. Расчет ведется до тех пор, пока угол 0 не станет равным по модулю значению угла расположения клубня в щели.

Угол поворота клубня 6(t)

1,8 0,рлд 1,2 0,9 0,6 0,3

т4-

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 1,с 0,18

0,75 0,50 0,25 0

-0,25 -0,50 -0,75 -1,00 8j>aa -1,50

Угол поворота клубня 8(t)

-0,02-0,04-0,06-0.08-0,1W), 12^0,14-0,16-0,18-0,2 (М, с-0,24

Рисунок 6 - Зависимость угла поворота клубня в сферическом движении от времени при различной частоте вращения решет: а - при п=40 мин"; б - при п=50 мин"1

График на рисунке 6 построенный для угловой скорости решета <» = 4,19 рад/с (частота вращения и=40 мин"1) показывает, что переход клубня в следующее щелевое отверстие не происходит. Клубень закатывается на пруток на некоторую высоту, определяемую углом 0 = 0,2581 рад в момент времени г=0,09 с, затем скатывается обратно. Переход клубня в следующее отверстие

возможен только начиная с угловой скорости решета ® = 4,61...4,82рад/с («=44...46 мин ). Чтобы обеспечить некоторый запас устойчивости сферического движения и гарантировать переход клубней от центра к периферии следует нагнать угловую скорость решета не менее со = 5,24рад/с («=50 мин"').

На основании результатов анализа решения модели установлено, что надежное транспортирование клубней, происходит при угловой скорости решета со = 5,24...6,28рад/с (л=50...60 мин"1). Меньшая угловая скорость не позволяет некоторым клубням переходить к периферийной части решета. Большая угловая скорость увеличивает риск серьезного травмировать клубни из-за ударов в процессе схода с решета.

В третьем разделе «Программа и методика проведения экспериментальных исследований калибрующего рабочего органа» изложена программа экспериментальных исследований, рассмотрен объект исследований, описана методика их проведения и обработки полученных данных, приведено описание лабораторной установки (рисунок 1 и рисунок 7), применяемые приборы, измерительные устройства и оборудование.

В состав установки входит: приемный лоток, меняя угол наклона которого изменяется зона подачи вороха (радиус подачи) картофеля на диск; дисковые решета 1, 4 с концентрически навитыми (секторными) щелями; питающий транспортер 13 для подачи материала на калибрующий рабочий орган. Транспортер приводится в движение от мотор-редуктора посредством цепной передачи. Частота вращения дисков регулируется за счет автотрансформатора. Подшипниковые опоры вала, на котором установлены диски, жестко связаны с рамой установки.

Рисунок 7 - Общий вид макетного образца дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля

Сортирующее устройство делит клубни по толщине на три фракции с пределами регулирования: для отделения крупной фракции (свыше 80 г.) от мелкой (30...50 г.) и средней (50...80 г.) 45...50 мм; для отделения средней от

мелкой 36...40 мм.

Методика лабораторных исследований заключалась в постановке одно-факторного и многофакторного эксперимента в области рациональных режимов сортирования непосредственно с клубнями картофеля сорта «Винета». Изучалось совместное влияние управляемых факторов: подача материала радиус подачи /•; частота вращения решет п, на точность калибрования. Действительный коэффициент точности калибрования определяли по следующей зависимости:

(16)

ТА = 1 —-100%,

1 то

где п - число фракций; '

_ масса клубней, выделившаяся в данную фракцию и соответствующая ее

требованиям, кг;

т0 - суммарная масса клубней всех фракции, кг.

Действительный коэффициент точности калибрования зависит от теоретического и меньше его. Чем меньше отличается численное значение действительного коэффициента точности от теоретического, тем более созершенный процесс калибрования. Это оценивается уровнем точности калибрования

к = Тд/Тт. (17)

Данный показатель позволяет оптимизировать процесс калибрования на фоне меняющегося фракционного состава и сравнивать рабочие органы в условиях максимально приближенных к равным.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля» представлены результаты однофакгорных исследований методом многофакторного планирования исследования, полученные в лабораторных и производственных условиях. Границы рациональных параметров определены из кинематического режима.

Эксперимент по фракционированию клубней картофеля было решено провести по трехуровневому плану Бокса-Бенкина. Шаг и уровни варьирования факторов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Шаг и уровни варьирования управляемых факторов

Факторы

Подача материала д, т/ч Х|

Радиус подачи г, м Х2

нижнии (-1)

6,0

0,2

Уровни

основной

ж

7,2

0,3

верхнии (+1)

8,4

0,4

Шаг варьирования

1,2

0,1

Частота вращения п, мин" Хз

50

55

60

На основании матрицы планирования составлена расчетная матрица с выходными параметрами для определения коэффициентов уравнения регрессии

Уравнение математической модели имеет следующий вид: У = 88,700 -1,625*. - 0,438*2 +1,863*, -1,263*? +

+ 0,100*,*2 + 0,450*,*3 - 2,238*| - 0,375*2*3 -1,838*32.

Адекватность модели проверяли с помощью /^критерия Фишера. Все результаты выполнены при уровне значимости 5%, что дает достоверность 95% соответствия математической модели реальному процессу.

После отсева незначимых коэффициентов, определенных по критерию Стьюдента, уравнение примет вид:

7 = 88,700-1,625*, +1,863*3 -1,263*,2 -2,238** -1,838*32. (19)

Уравнение модели (19) показывает, что наибольшее влияние в заданных интервалах варьирования факторов на параметр оптимизации оказывает частота вращения решет. Меньшее влияние оказывает радиус подачи материала на дисковые решета.

Для наглядного представления влияния факторов на точность калибрования представлены двумерные сечения (рисунок 8).

60,0 "¡с 57,5

К 2

£ 55,0 о

8 т

О" 52,5 50,0

1 \ }—

----1 ! 89,0 ' / / у

---1 ^88,0

ГЗго- --- ^84,0

6,0

6,6 7,2 7,8

Подача, т/ч

0,40

8,4

0,20 0,25 0,30 0.35 Радиус подачи, м

0,40

7,2

Подача, т/ч

Рисунок 8 - Графическое отображение двумерных сечений, характеризующих точность калибрования

Для удобства интерпретации полученных результатов оптимальные значения раскодированы посредством подстановки рациональных значений факторов, обеспечивающих наибольшую эффективность калибрования клубней картофеля (д = 6,52 т/ч; г = 0,28 м; п = 57,26 мин"1). При этом уравнение отклика для натуральных факторов в зависимости от подачи материала примет вид:

та =

т.

-(5333+11,279-0,8&72), (20)

91,2

где Т„- теоретический коэффициент точности калибруемой партии, %.

Данное выражение позволяет по заданной производительности (при подаче материала ц = 4,0...9,0 т/ч) и размерно-массовой характеристике сортируемого картофеля прогнозировать качество разделения клубней на фракции.

Производственная проверка данного устройства в поточной линии сортировального комплекса в ЗАО «РосЕвроплант» Завьяловского района Удмуртской Республики показала достаточно высокую действительную точности калибрования: 83,4...88,9 %, уровень точности * = 0,94...0,96 при производительности 6,4 т/ч и не значительном повреждении клубней - не более 3,76%.

в' пятом разделе «Экономическая и энергетическая эффективность использования дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля» представлены расчеты экономической и энергетической эффективности использования экспериментальной дисковой плоскорешетной картофельной сортировки в сравнении с серийно выпускаемой и подходящей по техническим, технологическим и эксплуатационным показателям роликовой сортировкой, входящая в состав картофелесортировального пункта КСП-15Б.

Предлагаемая сортировка позволяет снизить приведенные затраты на 56 9% а также увеличить прибыль от реализации продукции за счет уменьшений повреждаемости клубней картофеля, в результате чего снижаются возникающие отходы, при их хранении. Годовая экономия при этом составит 199,9 руб/т (в ценах 2014 г.), а экономический эффект-251953 рубля при сортировании 1080 т картофеля. Применение дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля позволяет повысить уровень интенсификации производства товарной продукции по сравнению с роликовой сортировкой КСЭ-15Б на 16%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ научных трудов и конструкций для разделения компонентов смеси на фракции показал, что наиболее перспективными для сортирования картофельного вороха являются калибрующие устройства центробежного типа с отверстиями щелевой формы, работающими по методу параллельного выделения фракций. Для реализации этих утверждений была разработана конструкционно-технологическая схема сортирующего дискового плоскорешетного устройства для клубней картофеля, состоящая из плоских дисковых решет и питающего транспортера (патенты на изобретение РФ №2537723 и №2441359).

2. В результате теоретических исследований установлено, что надежное транспортирование клубней картофеля, происходит при угловой скорости решета со = 5,24...6,28рад/с (и = 50...60 мин"1). Меньшая угловая скорость не позволяет некоторым клубням переходить из центральной к периферийной части решета. Большая угловая скорость увеличивает риск травмировать клубни из-за ударов в процессе схода с калибрующего решета.

3. Получена регрессионная модель функционирования экспериментального дискового плоскорешетного сортирующего устройства, по которой определены

оптимальные значения управляемых факторов: частота вращения калибрующих дисковых решет п = 57,3 мнн'1; радиус подачи материала г = 0,28 м; подача материала 9 = 6,5 т/ч.

4. В результате экспериментальных исследований выявлена зависимость варьирования действительной точности калибрования от подачи картофельного вороха на сортировку и от коэффициента теоретической точности калибрования обрабатываемой партии клубней картофеля.

5. Производственные испытания экспериментальной дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля показали высокую надежность работы устройства, действительную точность калибрования в диапазоне 83,4...88,9 % при уровне точности 0,94...0,96 и производительности 6,4 т/ч, при этом нанося не значительное травмирование клубням картофеля - не более 3,76 %.

6. Применение дисковой плоскорешетной сортировки в сравнении с базовым вариантом (роликовая сортировка КСЭ-15Б входящая в состав картофеле-сортировального пункта КСП-15Б) позволяет получить суммарный годовой экономический эффект от уменьшения приведенных затрат и снижения количества травмированных клубней в размере 251953 рубля при годовой выработке 1080 тонн. Срок окупаемости сортировки составит 0,3 года (один сезон). Уровень интенсификации использования разработанной машины в сравнении с базовой КСЭ-15Б составил 16%.

Теоретические и практические исследования по разработке и совершенствованию технологического процесса и рабочего органа дисковой плоскорешетной сортировки клубней картофеля представлены в завершенном виде, пригодном для широкого практического применения. Результаты, полученные при решении поставленной научно задачи, явились основой для выработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса картофелесорти-ровальных машин. Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в создании сортировки с более эффективным технологическим процессом, соответствующим санитарно-гигиеническим требованиям обслуживающего персонала.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Максимов, Л.М. Новая картофельная сортировка / Л.М. Максимов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Картофель и овощи. - 2014. - № 9. - С. 30-32.

2. Максимов, Л.М. Чашечно-дисковая картофельная сортировка /Л.М. Максимов, А.Г. Иванов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Сельский механизатор. - 2014. - №6. - С. 22-23.

Статьи в материалах Международных н Всероссийских конференций

3. Максимов, Л.М, Устройство и принцип работы сортировки роторно-чашечного типа / Л.М. Максимов, А.Л. Шкляев // Инновационному развитию АПК и аграрному образованию—научное обеспечение: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. в 3-х т. -Ижевск: Ижевская ГСХА, 2012 -Т.З. - С.311-314.

4. Максимов, Л.М. Картофельная сортировка чашечно-дискового типа / Л.М. Максимов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Инновационные технологии в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности: материалы Международной науч.-

практ конф проходившей в рамках IV этапа Евразийского экономического форума молодежи «ДИАЛОГ ЦИВИЛИЗАЦИИ - YOUTH GLOBAL MIND», направление «Евразия как территория здоровья». - Ижевск: Ижевская ГСХА, 2013. - С. 99-101.

5. Максимов, Л.М. Совершенствование конструкции и рабочего процесса сортировки чашечно-дискового типа / Л.М. Максимов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Аграрная наука - инновационному развитию АПК в современных условиях: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. в 3-х т. - Ижевск: Ижевская ГСХА, 2013- Т.2. - С. 97-101.

6. Максимов, Л.М. Теоретическое обоснование режимов работы чашечно-дисковой картофельной сортировки / Л.М. Максимов, А.Г. Иванов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Наука, инновации и образование в современном АПК: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. в 3-х. т. - Ижевск: Ижевская ГСХА, 2014,- Т.З. - С. 185-190.

7. Максимов, Л.М. Теоретическое обоснование режимов работы чашечно-дисковой сортировки картофеля / Л.М. Максимов, А.Г. Иванов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Интеграция науки и бизнеса в агропромышленном комплексе: материалы Международной науч. -практ. конф. посвященной 70-летию Курганской ГСХА в 3-х. т. - Курган: Курганская ГСХА имени Т.С.Мальцева, 2014. - Т.З. - С.87-92.

8. Максимов, Л.М. Теоретическое обоснование режимов работы чашечно-дисковой центробежной сортировки картофеля / Л.М. Максимов, А.Г. Иванов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: материалы: XXVII Международной межвузовской науч.-практ. конф.. - Брянск: Брянская ГСХА, 2014. - С. 55-59.

9 Максимов, Л.М. Дисковая плоскорешетная картофельная сортировка / Л.М. Максимов, А.Л. Шкляев, К.Л. Шкляев // Вестник НГИЭИ. Серия технические науки. -Княгинино: НГИЭИ, 2014. - Вып. 6(37). - С. 67 - 71.

10. Шкляев, А.Л. Картофельная сортировка чашечно-дискового типа /А.Л. Шкляев // Вестник Ижевской сельскохозяйственной академии. - 2014. - №1 (38). - С. 44-47.

11. Шкляев, А.Л. Дисковая плоскорешетная картофельная сортировка / А.Л. Шкляев, Л.М. Максимов // Ишюващш в науке, технике и технологиях: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. - Ижевск: Удмуртский гос. унив., 2014. - С. 292-295.

Патенты на изобретения

12. Патент № 2441359 Российская Федерация, МПК5', A01D33/08 Устройство для разделения корнеклубнеаюдоз ка фракции роторно-чашечного типа / Л. М. Максимов, П Л Максимов, Л.Л. Максимов, К.Л. Шкляев, А.Л. Шкляев; заявитель и патентообладатель Максимов Л.М. - № 2010108831/13; заявл. 09.03.2010; опубл. 10.02.2012, Бюл. №4 -7 с.

13. Патент № 2537723 Российская Федерация, МПК , A01D33/08 Плоское кругло-решетное устройство для разделения корнеклубнеплодов на фракции / Л. М. Максимов, П.Л. Максимов, А.Л. Шкляев; заявитель и патентообладатель ФГБО ВПО Ижевская ГСХА. -№ 2013129189/03; заявл. 25.06.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. №1 - 7 с.

Сдано в производство 26.03.2015 г. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman Формат 60x84 "щ. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 90 экз. Заказ № 125. Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 11