автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оптимизация параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев

На правах рукописи

'Л;-

БУКАТКИН Рустем Николаевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ПРОРЕЗАНИЯ СРЕДНЕЙ ЖИЛКИ ТАБАЧНЫХ ЛИСТЬЕВ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543723

1 2 ДЕК 2013

Краснодар-2013

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий Российской сельскохозяйственной академии наук (ГНУ ВНИИТТИ Россельхозакадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Виневский Евгений Иванович

Официальные оппоненты: Абликов Виктор Александрович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» профессор кафедры «Процессы и машины в агробизнесе»

Кузнецов Геннадий Яковлевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Северо-кавказский зональный научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства старший научный сотрудник отдела развития виноградарства

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (г. Зерноград)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации сельского хозяйства, ауд. № 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «21» ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.eov.ru/ и на сайте ФГБОУ ВПО Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/

Ученый секретарь диссертационного совета, ff^Z/f

доктор технических наук ¿/' B.C. Курасов

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Табачная отрасль является важной составляющей агропромышленного комплекса России, так как произведенный внутри страны табак является частью стратегического запаса, обеспечивающего экономическую безопасность страны. Постановлением правительства РФ № 581 в 2001 г., принята Федеральная целевая программа социально-экономического развития «Юг России» по возрождению и развитию табаководства в Краснодарском крае, Астраханской области, Республике Дагестан, Чеченской республике.

Продуктом культуры табака являются листья. Для получения табачного сырья, как товарного продукта, необходима послеуборочная обработка табачных листьев, которая включает уборку, подготовку к сушке, сушку и ферментацию.

Механическое воздействие на среднюю жилку табачных листьев, на этапе подготовки к сушке, позволяет уменьшить продолжительность одной из операций процесса сушки — досушку средней жилки, что значительно сокращает продолжительность процесса сушки.

Одним из наиболее эффективных способов механического воздействия является прорезание средней жилки табачных листьев. Однако существующие установки не удовлетворяют современным требованиям в малозатратном получении высококачественного табачного сырья. В связи с этим возникает необходимость усовершенствования средств механизации для прорезания средней жилки табачных листьев.

Исследования проводились в соответствии с научно-тематическим планом Россельхозакадемии по заданию 10.02.05 (2006-2010 гг.) «Создать высокоэффективные технологические процессы и оборудование с использованием новых принципов переработки сельскохозяйственного сырья» (ГР № 15070.7705009252.06.8.002.6), а также с государственным контрактом с Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края № 4.1.8/32 - 2007.

Цель работы - определение оптимальных параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, снижающих продолжительность процесса сушки табачных листьев.

Рабочая гипотеза — интенсификация процесса сушки табачных листьев достигается за счет прорезания средней жилки табачных листьев по всей длине.

Задачи исследований:

1. Усовершенствовать функциональную схему рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

2. Аналитически определить конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

3. Изучить физико-механические свойства свежеубранных листьев перспективных сортотипов табака, влияющие на процесс прорезания средней жилки.

4. Оптимизировать конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

5. Разработать методику инженерного расчета параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

6. Испытать экспериментальный образец рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев и определить эффективность его применения.

Объект исследования - рабочий орган для прорезания средней жилки табачных листьев; технологические процессы обработки табачных листьев; свежеубранные и неферментированные листья черешковых и сидячих сортотипов табака различных ломок.

Предмет исследования — закономерности технологического процесса прорезания средней жилки табачных листьев рабочим органом по всей длине.

Методы исследования - базировались на положениях теоретической механики и теории механизмов и машин. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики и планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну работы составляют:

1. Зависимости трансформированного угла заточки лезвия дискового ножа и энергетических затрат от конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа при прорезании средней жилки табачных листьев.

2. Закономерности изменения влажности табачных листьев в процессе сушки после прорезания их средней жилки рабочим органом.

3. Математическая модель в виде уравнения регрессии второго порядка, позволяющая определить оптимальные конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

Новизна технических решений и полезность разработок подтверждена патентами РФ на полезные модели № 89333 и № 102183.

Практическую значимость работы составляют:

1. Усовершенствованный рабочий орган для прорезания средней жилки табачных листьев, позволяющий прорезать среднюю жилку по всей длине независимо от размерных характеристик листьев.

2. Методика инженерного расчета рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, позволяющая определить основные его параметры и режимы работы.

Реализация результатов исследований. Экспериментальный образец рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев в составе технологической линии для подготовки табачных листьев к сушке прошел ведомственные испытания на опытно-селекционном участке ГНУ ВНИИТТИ в соответствии с ОСТ 70.10-2002 «Машины и оборудование для послеуборочной обработки табака и махорки. Программа и методы испытаний».

Методика инженерного расчета разработанного рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев используется в учебном процессе Кубанского ГАУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на заседании ученого совета ГНУ ВНИИТТИ Россельхозакадемии, научно-практических конференциях: молодых ученых КГАУ «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» в 2007-2011 гг.; молодых ученых и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии в 2010-2011 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены два патента РФ на полезные модели. Общий объем публикаций составляет 4,22 печатных листа, из них личный вклад автора 2,10 печатных листа.

Основные положения выносимые на защиту.

- усовершенствованная функциональная схема рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- зависимости скорости ленты подающего транспортера от скорости ленты протягивающего транспортера табакопришивной машины, трансформированного угла заточки лезвия дискового ножа и энергетических затрат от конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа при прорезании средней жилки табачных листьев;

- результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических свойств табачных листьев, влияющих на процесс прорезания их средней жилки и закономерности изменения влажности листьев в процессе сушки;

- математическая модель в виде уравнения регрессии второго порядка, позволяющая определить оптимальные конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- методика инженерного расчета параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- экономическая эффективность применения рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 128 наименований, в том числе 7 на иностранном языке, и приложения. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ работ по интенсификации процесса сушки табачных листьев, проанализированы установки для механического повреждения черешка и средней жилки табачных листьев.

Значительный вклад в изучение ускорения процесса сушки табачных листьев и создание конструкций для повреждения их средней жилки внесли Г.В. Наливко, A.M. Голубев, А.Г. Петренко, Ю.М. Игнатов, О. Кацуа, В.В. Чен-ников, A.C. Ястребова, В.В. Ивченко, Н.В. Журавлев, В.Ф. Трубников, В.А. Федотенко, И.П. Леонов.

Анализ существующих функциональных схем рабочих органов для прорезания средней жилки табачных листьев показал, что недостатком их является настройка параметров применительно к конкретным сортам табака с различными размерными характеристиками листьев. На основании изложенного материала сформулирована рабочая гипотеза и задачи исследований.

Во второй главе выполнено теоретическое исследование кинематического и динамического процессов прорезания средней жилки табачных листьев усовершенствованным рабочим органом для прорезания средней жилки табачных листьев (рисунок 1) установленном на подающем транспортере 5 и состоящим из верхнего барабана-прорезателя 1, оснащенного дисковыми ножами 2, нижнего барабана 3 и упругого элемента 4 (пружины).

/

1 - верхний барабан-прорезатель;

2 - дисковые ножи;

3 - нижний барабан;

4 - упругий элемент (пружина);

5 - подающий транспортер;

6 - лента подающего транспортера;

7 - ведущий барабан;

8 - ведомый барабан

Рисунок 1 - Схема рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев

В предлагаемом рабочем органе нижний барабан 3 подпружинен и установлен под лентой б подающего транспортера 5 с возможностью вертикального перемещения.

Рассмотрим рабочий орган для прорезания средней жилки табачных листьев (рисунок 2, поз. 1) с устройством для крепления табачных листьев на шнур (табакопришивная машина МЗТ-250), которое содержит протягивающий транспортер 3, прижимной транспортер 4, аппарат закрепления листьев 5. От скорости ленты подающего транспортера 2 зависит плотность распределения табачных листьев при закреплении их на шнур табакопришивной машиной.

+->— гГ"

рр

а тг 1чист

^ лист

1 - рабочий орган; 2 - подающий транспортер; 3 - протягивающий транспортер;

4 - прижимной транспортер; 5 - аппарат закрепления листьев

Рисунок 2 - Схема технологического процесса перемещения табачных листьев с подающего на протягивающий транспортер

Для поддержания необходимого зазора йчер между черешками при закреплении табачных листьев на шнур необходимо чтобы:

' под ~ тли '

где іпод, 1Ш„ - время перемещения табачного листа на расстояние, соответственно, {Ішш+сі) на подающем транспортере 2 и с1тр на протягивающем транспортере 3, с:

= 1тсш + Л ■

гам

(1)

где / _ длина табачного листа, м\ й - зазор между табачными листьями на подающем транспортере, м; ипа) - скорость ленты подающего транспортера (скорость подачи), м/с; итм - скорость ленты протягивающего транспортера, м/с.

Приравнивая правые части уравнений (1), получим;

„ (1ж», + Л)-итш (2)

ипод ~ .

а.ер

Для обеспечения максимальной производительности табакопришивной машины скорость иГШ принимаем равной 0,07 м/с, а среднюю длину табачных листьев - 0,392 м. Тогда, согласно уравнению (2), при принятых значениях = 0,075 м и с1чер = 0,01 м, скорость илод будет составлять 3,27 м/с.

В процессе резания со скольжением угол заточки в направлении резания меняет свое значение - уменьшается в зависимости от угла скольжения ср (см. рисунок 3). Переходя от представления о статической геометрии лезвия к представлению о его кинематической геометрии, происходит явление трансформации угла заточки. При этом, как установлено рядом исследователей, это явление влечет за собой снижение энергоемкости процесса резания.

Технологический процесс прорезания средней жилки табачного листа на глубину Нр осуществляется дисковым ножом путем подачи табачного листа со скоростью подачи оП0д к верхнему барабану-прорезателю, который вращается с постоянной угловой скоростью со (рисунок 3).

Для снижения трудозатрат при изготовлении, заточка дисковых ножей верхнего барабана-прорезателя производится односторонней под углом /?.

vr

Рисунок 3 - Схема технологического процесса прорезания средней жилки табачного листа дисковым ножом верхнего барабана-прорезателя

Точка В' ножа будет иметь окружную скорость Dmp. Систему отсчета хОу связываем с лентой подающего транспортера, движущейся с постоянной скоростью ипод. При этом вектор Покр раскладывается на две составляющие Пх и Uy по осям координат, тогда vx = vmpcosa, vy=uOKpsma. В направлении вектора иу точка В' ножа производит рубящее резание, а в направлении вектора Пх - происходит скользящее резание средней жилки.

Скорость резания ор средней жилки табачного листа, определится по формуле:

+ (3)

где иа - проекция на ось х скорости относительного скольжения дискового ножа по средней жилке, м/с.

Чг = Ч - vnoé = Ч», cos a-vnoó. (4)

При vx > vnoa будет происходить резание со скольжением лезвия дискового ножа о среднюю жилку; при их = ипод будет происходить только рубящее резание со скоростью иу; при ох<илод дисковый нож будет тормозить перемещающуюся среднюю жилку.

Задача (кинематическое исследование) решается из условия ох > ипод. Выражение (3) с учетом (4) примет вид:

= \j{vo«p sin of + (vOKp cos a -unoáf . (5)

Коэффициент скольжения s определится отношением иск и V :

. _ иск _ °Ч>

v„rri cosa - v„,

(6)

иу ио«рЪта

Косинус и синус угла а находится из прямоугольного треугольника (см. рисунок 4):

„ОД

Я-к

эта = -

Я Я

Тогда выражение (6), с учетом (7), примет вид:

, ^И„(2Я-Ир) Я Я Я

В'В

£=-

(7)

(8)

Рассмотрим прорезание средней жилки с последующим углублением в нее дискового ножа вдоль прямой х—х на длине I (рисунок 4). Линейная скорость б> точек В1 дискового ножа вдоль прямой х-х меняет свое значение в зависимости от расстояния ОД.

вт в, в, в

Рисунок 4 - Изменение линейных скоростей ц точек дискового ножа

вдоль прямой х-х в пределах угла 0 < а, < а

Трансформированный угол заточки Д определятся по формуле:

А =агс1Б

VI

+ Е*

(9)

При перемещении средней жилки вдоль прямой х—х на длине /, угол Д будет различен. Поэтому определим значения трансформированного угла заточки для нескольких положений В', (; = 0,1,2,... п).

Для этого разобьем / на п частей одинаковой длины Д/,:

(9), с учет Д =агс1§-

Д/,.

Тогда уравнение (9), с учетом (8) и (10), примет вид:

18/8

(10)

(П)

1 +

Уравнение (11) представлено графически (рисунок 5) при скорости подачи 3,27 м/с.

а) - угол заточки лезвия дискового ножа 15°

Перемещение средней жилки относительно дискового ножа при п—5

угол заточки лезвия дискового ножа 30°

Перемещение средней жилки относительно дискового ножа при и=5

угол заточки лезвия дискового ножа 45°

->1 и2 °3 4 а5

Перемещение средней жилки относительно дискового ножа при п=5

Окружная скорость, м/с -*г-4,12 —*-5,36 -#-6,59 -«-7,84

Рисунок 5 - Графики изменения трансформированного угла Д заточки лезвия от перемещения средней жилки относительно вращающегося дискового ножа при различной окружной скорости иокр

Из анализа графиков следует, что с увеличением окружной скорости уменьшается значение трансформированного угла Д.

С увеличением угла /? заточки лезвия от 15° до 45° расхождения между углами Д при различных окружных скоростях уменьшаются на 3-5 %.

При увеличении окружной скорости от 4,12 м/с до 7,84 м/с через интервал 1,24 м/с трансформированный угол Д изменяется в пределах 21-8 %, свыше

7,84 м/с - на 7 % и менее.

Поэтому при скорости подачи 3,27 м/с увеличение окружной скорости свыше 7-8 м/с нецелесообразно.

Для упрощения вычисления работы процесса прорезания с учетом сил трения применялся метод кинетостатики (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схемы распределения сил

Так как система (дисковый нож, жилка табачного листа и сам остов установки) не находятся в равновесии, то приложим к ведущему звену -дисковому ножу, - уравновешивающую силу Р№. Она уравновесит все задаваемые активные силы и моменты, приложенные в отдельных точках или к звеньям механизма составляющих его ведомую часть.

Тогда, рассматривая равновесие системы для данного момента времени, получим:

_Рра + Рур+К= 0' <12>

где Р 3 - сила резания, Н; Иш - полная реакция плоскости, приложенная к точке поверхности дискового ножа (за связь мы принимаем жилку), Н.

К = К + (13)

где Рт - сила трения скольжения, Н; N - сила нормального давления, Н.

рДе /ж - коэффициент трения скольжения.

Решением условия равновесия (12) является построение силовых многоугольников (рисунок 7).

Рисунок 7 - Силовые многоугольники, как решения условия равновесия

а) - при их > ипод б) - при vx < ünoó

По теореме синусов находим величину уравновешивающей силы:

sin^3 sin£¡ sin ^ ' р =р SÍn<?2

(15)

Величина силы резания Ррез средней жилки табачных листьев дисковым ножом рабочего органа определялась экспериментально.

а = arceos -

( R-h„

; /г = arctg fCK

y = 90°-a-¡p; <р = arctg voKP{R-hP)-^R

При vI > ипод: vOK^hp{2R-hp) _

й\=У\ #2 =<Р + се-м; £ = 90° + //.

у = 90°-а + <р; ср = arctg vn^~vOKp{R-hp)

_ u0Jhp(2R-hp) ?

ПРИ Ux < Unod '■ 1) если а + /и> (р

£=/; = + aí-<г>; £ = 90°-//;

2) если и + ц<<р

¿j = 90° + а-(р\ -£г = <р- a-ju; £3 = 90° + ц.

Произведение Ру^тах, дает максимальную работу Атлх в момент входа лезвия ножа в жилку табачного листа, или в единицу времени - максимальную мощность Жтах, т.е. в целом энергозатраты процесса прорезания.

= (16)

наибольшее перемещение точки приложения силы Р, , совпа-

эша

дающее с направлением действия этой силы, м. Тогда, с учетом (7), получим:

4пах

рл*

(17)

Рассчитаны параметры упругого элемента (пружины), обеспечивающего прижим средней жилки табачных листьев к верхнему барабану-прорезателю, что позволяет прорезать среднюю жилку по всей длине независимо от размерных характеристик табачных листьев: диаметр проволоки пружины (4,5 мм); средний диаметр пружины (30 мм); число витков пружины (5).

В третьей главе представлены программа и методики экспериментальных исследований. Исследования проводились в лаборатории машинных агропромышленных технологий ГНУ ВНИИТТИ, на специально сконструированных приборах, установках и линии для подготовки табачных листьев к сушке ЛПТС-360.

Процесс прорезания средней жилки табачных листьев при нормальном резании изучался на специально разработанной установке (рисунок 8).

а) - рабочая область установки б) - схема установки

1 - подвижная плита; 2 - неподвижная плита; 3 - магнит; 4 - лезвие; 5 - часть средней жилки; 6 - головка индикаторная с ценой деления 0,01 мм; 7 - манометр образцовый 2,5 кГс/см2; 8 - поршень Рисунок 8 - Установка для исследования процесса прорезания средней жилки табачных листьев при нормальном резании

Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами общей теории статистики. Обработка результатов многофакторного эксперимента проводилась в программе Microsoft Excel.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по обоснованию усовершенствованной функциональной схемы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев (см. рисунок 1).

Изучены размерные характеристики средней жилки табачных листьев. Установлено, что изменчивость толщины средней жилки сорта Юбилейный на 8,1 % больше, чем у сорта Трапезонд 92. Анализ результатов дисперсионного анализа показал, что разница между толщиной средней жилки табачных листьев сортов Трапезонд 92 и Юбилейный существенная. Разница в толщине средней жилки по длине в сравнении с толщиной в месте крепления листьев к стеблю табачного растения увеличивается в среднем от 3,35 % (через 50 мм) до 81,7 % (через 400 мм).

Определены коэффициенты трения скольжения /„ для свежеубранных табачных листьев сортов Трапезонд 92 и Юбилейный при взаимодействии со сталью нижней и верхней стороной пластинки листьев. Также определен коэффициент трения скольжения для вырезанной средней жилки (таблица 1).

Таблица 1 - Значения коэффициента трения скольжения

Соприкосновение со стальной поверхностью Коэффициент трения скольжения

сорт Трапезонд 92 сорт Юбилейный

Нижняя сторона листа 0,512 0,549

Верхняя сторона листа 0,644 0,647

Средняя жилка 0,500 0,500

При взаимодействии табачного листа со стальной поверхностью нижней стороной, соприкосновение в основном приходится на среднюю и боковые жилки, поэтому площадь соприкосновения листа с трущейся поверхностью небольшая и коэффициент трения скольжения меньше, чем при взаимодействии верхней стороной.

Несколько большее значение коэффициента трения скольжения у сорта Юбилейный объясняется тем, что площадь соприкосновения пластинки листа со стальной поверхностью больше, чем у сорта Трапезонд 92.

Исследование продолжительности процесса сушки, отделенных от табачных листьев и прорезанных (без скольжения) при различных углах заточки лезвия частей средних жилок, показало, что применение лезвий с углом заточки больше 50° нецелесообразно.

Анализ литературных источников и проведенные собственные исследования позволили определить независимые факторы, оказывающие наибольше влияние на процесс прорезания средней жилки табачных листьев рабочим органом и интервалы их варьирования.

Исходя из этого, выполнен один трехфакторный экстремальный эксперимент с использованием ортогонального композиционного плана Бокса и Уилсона, в результате которого получено следующее уравнение:

Ш = 0,00176** + 0,1318*22 + 4,6335*3г + 0,0089*,*г + 0,1538*,*3 + + 0,3339*2*э-0,5829*,-1,8253*2-33,6304*3 +72,4445, где Ш - влажность, %; *, - угол заточки дисковых ножей, град; *2 - окружная скорость, м/с; *, - скорость подачи, м/с.

Модель (18) адекватна, так как Р = 0,04 < Р0 05^.1} = 2,06.

Из уравнения (18) методом частных производных определены оптимальные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев:

- угол заточки лезвия дисковых ножей (17,5°);

- окружная скорость (2,06 м/с);

- скорость подачи (3,27 м/с).

Полученные при планировании эксперимента значения согласуются с результатами теоретических исследований представленных во второй главе.

В результате теоретико-экспериментальных исследований установлено, что с увеличением окружной скорости дисковых ножей, при прорезании средней жилки табачных листьев, продолжительность процесса сушки листьев увеличивается. Это происходит, во-первых, за счет того, что уменьшается величина разреза, так как уменьшается трансформированный угол заточки, а во-вторых, при увеличении окружной скорости, получается более гладкая поверхность разреза средней жилки, в результате чего уменьшается площадь испарения.

Экспериментальными исследованиями установлено, что различная скорость резания при прорезании средней жилки табачных листьев дисковым ножом величину силы резания изменяет незначительно. В связи с этим принято среднее значение силы резания (2,50 Н), соответствующее оптимальным параметрам процесса прорезания.

Проведены исследования зависимости влажности табачных листьев от продолжительности процесса сушки в естественных условиях при различных вариантах послеуборочной обработки (рисунок 9): с прорезанием средней жилки усовершенствованным рабочим органом; с прорезанием средней жилки табакопришивной машиной ТПМ-69МБ; без прорезания (контроль).

Анализ графиков показал, что продолжительность процесса сушки табачных листьев с прорезанной средней жилкой в сравнении с непрорезанной (контроль) сокращается: при прорезании рабочим органом на 35 %; при прорезании табакопришивной машиной ТПМ-69МБ на 10 %.

80

^ 70 в4

60 ¡2 50

и

§ 40 М

5 30

10 о

О 48 96 144 192 240 288 336 384 432 480 Продолжительность процесса сушки, ч

—О—Прорезанные рабочим органом —о -Прорезанные ТПМ-69МБ —»—Контроль

Рисунок 9 —Графики зависимости влажности табачных листьев от продолжительности прог{есса сушки при различных вариантах послеуборочной обработки

В пятой главе представлен расчет экономической эффективности использования предлагаемого рабочего органа в составе технологической линии ЛПТС-360. Годовой экономический эффект, рассчитанный, как снижение прямых эксплуатационных затрат, составляет 143,6 тыс. руб. Кроме того, послеуборочная обработка табачных листьев предлагаемым вариантом позволяет уменьшить капиталовложения в приобретаемые технологическую линию и сушильные сооружения на 16,7 % за счет увеличения производительности сушильных сооружений.

Общие выводы

1. Усовершенствована функциональная схема рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, (патент РФ на полезную модель № 102183). Данный рабочий орган обеспечивает прорезание черешка и средней жилки табачных листьев по всей длине независимо от их размерных характеристик.

2. Определены скорость ленты подающего транспортера (3,27 м/с), обеспечивающая максимальную производительность технологической линии для подготовки табачных листьев к сушке и предел окружной скорости дисковых ножей верхнего барабана-прорезателя (7-8 м/с), свыше которого трансформированный угол заточки лезвия дискового ножа, а, следовательно, и энергетические затраты при прорезании средней жилки табачных листьев уменьшаются незначительно.

3. Установлено, что при нормальном резании изменение угла заточки лезвия более 50° увеличивает усилие на прорезание средней жилки табачных листьев в среднем в 2,6-3,8 раза, а продолжительность процесса сушки сокращается незначительно, следовательно, применение лезвий с углом заточки больше 50° нецелесообразно.

4. В результате многофакторного эксперимента определены оптимальные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев: скорость ленты подающего транспортера (3,27 м/с); окружная скорость дисковых ножей верхнего барабана-прорезателя (2,06 м/с); угол заточки лезвия дисковых ножей (17,5°), - при которых достигается минимальная продолжительность процесса естественной сушки табачных листьев.

5. Разработана методика инженерного расчета параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, на основе которой определены: трансформированный угол заточки лезвия дискового ножа - 16,17° (при о1>опад, / = 0); максимальная мощность в момент входа лезвия дискового ножа в среднюю жилку табачного листа -1,27 Вт; диаметр проволоки (4,5 мм), средний диаметр (30 мм) и (число витков пружины) упругого элемента (пружины).

6. В результате испытаний рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев установлено, что его применение сокращает продолжительность процесса сушки на 35 %, а использование его в технологической линии ЛПТС-360 с последующей сушкой в сушильных сооружениях позволяет снизить годовые прямые эксплуатационные затраты на 143,6 тыс. руб и уменьшить капиталовложения на 16,7 % в сравнении с использованием табакопришивной машины ТПМ-69МБ, при обработке 77 тонн свежеубранных табачных листьев.

Основные положения диссертации опубликованы

— в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Букаткин, Р.Н. Оптимизация параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачного листа / Е.И. Виневский, Р.Н. Букаткин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 6. - С. 19-20.

2. Букаткин, Р.Н. Оптимизация параметров процесса прорезания листьев табака / Р.Н. Букаткин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 9. - С. 30-31.

3. Букаткин, Р.Н. Определение энергоемкости процесса прорезания средней жилки табачных листьев / Р.Н. Букаткин // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2012. Вып. 4 (37). - С. 276-279.

- в прочих изданиях:

4. Букаткин, Р.Н. Обоснование параметров рабочего органа для подачи листьев к механизму закрепления их на шнур / Р.Н. Букаткин // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы I Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных (14-16 нояб. 2007 г.) / КубГАУ. - Краснодар, 2007. - С. 302-303.

5. Букаткин, Р.Н. Некоторые физико-механические свойства растений отечественных сортов табака / Е.И. Виневский, К.Г. Громов, A.B. Огняник, С.К. Папуша, Е.В. Шидловский, H.H. Виневская, Р.Н. Букаткин // Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2008. - Вып. 177. - С. 203-208.

6. Букаткин, Р.Н. Исследование процесса прорезания средней жилки листьев табака / Р.Н. Букаткин // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы III Всерос. науч.-пракг. конф. молодых учёных (1820 нояб. 2009 г.) / КубГАУ. - Краснодар, 2009. - С. 337-338.

7. Букаткин, Р.Н. Обоснование и реализация технологии аграрно-промышленного производства табачного сырья / И.И. Дьячкин, А.И. Петрий, Л.П. Пестова, З.П. Белякова, И.В. Сафронова, Р.Н. Букаткин // Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2009. - Вып. 178. - С. 109-112.

8. Букаткин, Р.Н. Новый способ подготовки табака к сушке / А.И. Петрий, И.И. Дьячкин, Л.П. Пестова, И.В. Сафронова, Р.Н. Букаткин, A.B. Огняник // Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2009. - Вып. 178. - С. 112-116.

9. Букаткин, Р.Н. Теоретические основы технологических процессов и параметров технических средств для подготовки листьев табака к сушке / Е.И. Виневский, Р.Н. Букаткин // Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. -Краснодар, 2009. - Вып. 178. - С. 295-303.

10. Букаткин, Р.Н. Влияние сорта табака на особенности влагоотдачи и расход технического тепла при искусственной сушке / А.И. Петрий, Л.П. Пестова, Л.А. Пярина, И.И. Дьячкин, Р.Н. Букаткин // Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2010. - Вып. 179. - С. 113-119.

11. Букаткин, Р.Н. Оптимизация параметров средств механизации методом планирования многофакгорного эксперимента / Е.И. Виневский, Г.В. Попов, С.К. Папуша, Е.В. Шидловский, A.B. Огняник, H.H. Виневская, Р.Н. Букаткин И Сб. науч. трудов ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2010. - Вып. 179. - С. 300-312.

12. Букаткин, Р.Н. Исследование параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачного листа / Р.Н. Букаткин // Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности Российской Федерации: сб. докладов 4-й конф. молодых учёных и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии (9 дек. 2010 г.). - М., 2010. - С. 45-47.

13. Букаткин, Р.Н. Теоретико-экспериментальное обоснование параметров технологического процесса прорезания средней жилки табачного листа / Р.Н. Букаткин // Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания: сб. науч. трудов 5-й конф. молодых учёных и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии (12 окт. 2011 г.). - М., 2011. - С. 58-62.

14. Букаткин, Р.Н. Определение кинематического угла заточки лезвия при прорезании средней жилки табачного листа [Электронный ресурс] / Р.Н. Букаткин // Научное обеспечение инновационных технологий производства и хранения сельскохозяйственной и пищевой продукции: материалы I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов в дистанционном режиме / ГНУ ВНИИТТИ. - Краснодар, 2012. - Режим доступа http://www.vniitti.rц/conf/conf2012/article/BukatkinR■N■-statva■doc

— патенты:

15. Пат. 89333 Российская Федерация, МПК А24БЗ/07. Устройство для прорезания средних жилок листьев табака / Букаткин Р.Н., Виневский Е.И., Поярков И.Б. и др.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИТТИ. -№ 2009125818/22; заявл. 06.07.09; опубл. 10.12.09, Бюл. № 34.

16. Пат. 102183 Российская Федерация, МПК А24Б5/00, А24Б1/06. Устройство для крепления табачных листьев на шнуре / Букаткин Р.Н., Виневский Е.И., Поярков И.Б. и др.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИТТИ. -№ 2010138260/21; заявл. 15.09.10; опубл. 20.02.11, Бюл. № 5.

Подписано в печать 20.11.2013 г. Формат 60x84 /6

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л. 1 Заказ № 782

Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт табака, махорки и табачных изделий Россельхозакадемии

На правах рукописи

04201455434

Букаткин Рустем Николаевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ПРОРЕЗАНИЯ СРЕДНЕЙ ЖИЛКИ ТАБАЧНЫХ ЛИСТЬЕВ

Специальность: 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Е.И. Виневский

Краснодар - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение.......................................................................................................................4

1 Анализ технологических процессов подготовки табачных листьев к сушке.. 10

1.1 Работы по интенсификации сушки табачных листьев...............................10

1.2 Работы по разработке рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев............................................................................................15

1.3 Теоретические исследования.........................................................................20

1.4 Выводы по главе, цель и задачи исследований...........................................22

2 Теоретическое обоснование параметров технологического процесса

подготовки табачных листьев к сушке................................................................24

2.1 Обоснование скорости ленты подающего транспортера...........................24

2.2 Кинематическое исследование технологического процесса прорезания средней жилки табачного листа....................................................................28

2.3 Динамическое исследование технологического процесса прорезания средней жилки табачного листа....................................................................34

2.4 Обоснование параметров упругого элемента нижнего барабана рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев..........................43

2.5 Выводы по главе.............................................................................................45

3 Программа и методики экспериментальных исследований..............................47

3.1 Программа экспериментальных исследований...........................................47

3.2 Характеристика объекта исследований........................................................48

3.3 Методика определения размерных характеристик средней жилки табачных листьев и проведения статистической обработки результатов 49

3.4 Методика определения коэффициента трения скольжения.......................51

3.5 Методика определения усилия на прорезание средней жилки табачных листьев при нормальном резании.................................................................54

3.6 Методика определения силы резания средней жилки табачных листьев дисковым ножом рабочего органа................................................................56

3.7 Методика исследования продолжительности процесса сушки табачных листьев и определения их влажности...........................................................58

3.8 Методика проведения многофакторного эксперимента для оптимизации параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.............................................................................................................62

3.9 Методика испытаний экспериментального образца рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.............................................63

4 Результаты исследований......................................................................................67

4.1 Физико-механические свойства табачных листьев.....................................67

4.2 Оптимальные параметры технологического процесса и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.........75

4.3 Результаты ведомственных испытаний экспериментального образца рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.........85

4.4 Методика инженерного расчета....................................................................89

4.5 Выводы по главе.............................................................................................96

5 Экономическая эффективность............................................................................97

5.1 Определение годового экономического эффекта применения нового варианта послеуборочной обработки табачных листьев..........................103

5.2 Выводы по главе...........................................................................................106

Общие выводы.........................................................................................................107

Список использованных источников....................................................................109

Приложения.............................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Производство табака и табачного сырья - одна из важных отраслей агропромышленного комплекса страны, так как произведенный внутри страны табак является частью стратегического запаса, обеспечивающего экономическую безопасность страны. Сельскохозяйственное производство табачного сырья вместе с предприятиями по его промышленной переработке призвано удовлетворить потребность населения в высококачественных и малотоксичных табачных изделиях [103, 104].

Зарубежные табачные компании, пришедшие в табачную отрасль России со своими сырьевыми рынками, не заинтересованы в нашем отечественном табаководстве. Чтобы Российское табаководство не утратило свою экономическую независимость, постановлением правительства РФ № 581 в 2001 г., принята Федеральная целевая программа социально-экономического развития «Юг России» с тремя инвестиционными проектами возрождения и развития табаководства в Краснодарском крае, Астраханской области, Республике Дагестан, Чеченской республике, согласно которой стратегический производственный потенциал табачного сырья определяется в 20-25 тыс. га. Программа имеет социально-экономическую значимость: рациональное и эффективное использование уникального природно-климатического потенциала регионов для производства различных сортов отечественного экологически чистого табачного сырья и обеспечение занятости сельского населения. В 2010-2011 гг. табак начали выращивать в Брянской области [100].

В соответствии с федеральной программой «Юг России», а так же «Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации» о повышении безопасности и конкурентоспособности табачных изделий, ГНУ ВНИИТТИ по заданиям Россельхозакадемии проводит фундаментальные исследования, направленные, в том числе и на разработку технических средств и оборудования для табаководства на основе современных принципов механизации [44].

Табак существенно отличается от других технических культур. Продуктом культуры табака являются табачные листья, отделенные от растений в несколько приемов. Для получения табачного сырья, листья, после подготовки, высушиваются и ферментируются [104].

Для сушки табачных листьев используют естественные, комбинированные и искусственные способы сушки [98]. Каждый из применяемых способов имеет свои достоинства и недостатки.

Естественные способы не требуют затрат технической энергии и позволяют при строгом соблюдении рекомендованных технологий получать табачное сырье с высокими технологическими свойствами, но эти процессы длительны и зависят от погодных условий.

Опыт сушки шнуров с табачными листьями показывает, что основной причиной снижения качества табачного сырья при сушке является «запарка» листьев в местах закрепления их пачками. Это зависит от ряда причин, в том числе от квалификации рабочих и серийных табакопришивных машин, которые не имеют специального устройства для выравнивания слоя табачных листьев. В этих машинах отсутствуют также приспособления для разрушения верхнего слоя средней жилки, что способствует существенному сокращению времени досушки табачных листьев.

Учеными Г.В. Наливко, А.Г. Петренко, В.В. Ивченко, А.И. Голубова, Е.А. Тимошенко, Л.И. Ляхова, Ф.И. Загорнян, Ю.М. Игнатов, Ф.Ю. Бурменко, А.Д. Сорокин и др. выполнены исследования по ускорению процесса сушки средней жилки путем использования различных способов воздействия на ее ткань.

В последние десятилетия, как в нашей стране, так и за рубежом предпринимаются попытки улучшить существующие технологии послеуборочной обработки табачных листьев путем создания усовершенствованных технологических процессов и режимов, более совершенных типов сушильных и ферментационных сооружений, механизации вспомогательных процессов [82, 87, 88, 97, 104].

Однако, все это хотя и отчасти улучшает существующее положение, но не вносит коренных изменений в принципиально устаревшую и не оправдывающую себя технологию послеуборочной обработки табака. Она по-прежнему не удовлетворяет требованиям современного производства и является основным тормозом в развитии сырьевой базы табачной промышленности.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость сокращения энергетических затрат послеуборочной обработки путем интенсификации процесса сушки за счет прорезания средней жилки табачных листьев.

Диссертация выполнена в соответствии с научно-тематическим планом Россельхозакадемии по заданию 10.02.05 (2006-2010 гг.) «Создать высокоэффективные технологические процессы и оборудование с использованием новых принципов переработки сельскохозяйственного сырья» (ГР № 15070.7705009252.06.8.002.6), а так же с государственным контрактом с Департаментом сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края № 4.1.8/32 - 2007.

В диссертационной работе представлены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований по изучаемой теме.

Целью настоящей работы является определение оптимальных параметров рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, снижающих продолжительность процесса сушки табачных листьев.

Исходя из поставленной цели, задачами исследований являются:

1. Усовершенствовать функциональную схему рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

2. Аналитически определить конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

3. Изучить физико-механические свойства свежеубранных листьев перспективных сортотипов табака, влияющие на процесс прорезания средней жилки.

4. Оптимизировать конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

5. Разработать методику инженерного расчета параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

6. Испытать экспериментальный образец рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев и определить эффективность его применения.

Объект исследования - рабочий орган для прорезания средней жилки табачных листьев; технологические процессы обработки табачных листьев; свежеубранные и неферментированные листья черешковых и сидячих сортотипов табака различных ломок.

Предмет исследования — закономерности технологического процесса прорезания средней жилки табачных листьев рабочим органом по всей длине.

Научную новизну работы составляют:

1. Зависимости трансформированного угла заточки лезвия дискового ножа и энергетических затрат от конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа при прорезании средней жилки табачных листьев.

2. Закономерности изменения влажности табачных листьев в процессе сушки после прорезания их средней жилки рабочим органом.

3. Математическая модель в виде уравнения регрессии второго порядка, позволяющая определить оптимальные конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

Новизна и полезность разработок подтверждена патентами РФ на полезные модели (№ 89333 «Устройство для прорезания средних жилок листьев табака» и № 102183 «Устройство для крепления табачных листьев на шнуре»).

Практическую значимость работы составляют:

1. Усовершенствованный рабочий орган для прорезания средней жилки табачных листьев, позволяющий прорезать среднюю жилку по всей длине независимо от размерных характеристик листьев.

2. Методика инженерного расчета рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев, позволяющая определить основные его параметры и режимы работы.

Реализация результатов исследований. Экспериментальный образец рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев в составе технологической линии для подготовки табачных листьев к сушке прошел ведомственные испытания на опытно-селекционном участке ГНУ ВНИИТТИ в соответствии с ОСТ 70.10-2002 «Машины и оборудование для послеуборочной обработки табака и махорки. Программа и методы испытаний».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на заседании ученого совета ГНУ ВНИИТТИ Россельхозакадемии, научно-практических конференциях: молодых ученых КГАУ «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» в 2007-2011 гг.; молодых ученых и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии в 2010-2011 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 14 печатных изданиях, 2 патентах на полезные модели.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- усовершенствованная функциональная схема рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- зависимости скорости ленты подающего транспортера от скорости ленты протягивающего транспортера табакопришивной машины, трансформированного угла заточки лезвия дискового ножа и энергетических затрат от конструктивных параметров и режимов работы рабочего органа при прорезании средней жилки табачных листьев;

- результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических свойств табачных листьев, влияющих на процесс прорезания их средней жилки и закономерности изменения влажности листьев в процессе сушки;

- математическая модель в виде уравнения регрессии второго порядка, позволяющая определить оптимальные конструктивные параметры и режимы работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- методика инженерного расчета параметров и режимов работы рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев;

- экономическая эффективность применения рабочего органа для прорезания средней жилки табачных листьев.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 128 наименований, в том числе 7 на иностранном языке, и приложения. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 18 таблиц.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ТАБАЧНЫХ ЛИСТЬЕВ К СУШКЕ

1.1 Работы по интенсификации сушки табачных листьев

Сушка табачных листьев - завершающая технологическая операция при производстве табачного сырья. Во время сушки из листьев не только удаляется влага, но и одновременно в их тканях протекают сложные физиолого-биохимические процессы, превращающие свежие листья в табачное сырье определенного химического состава и физических свойств характерного цвета. Поэтому темпы обезвоживания табачных листьев строго увязаны с физиолого-биохимическими процессами, происходящими в их тканях.

Процесс сушки табачных листьев подразделяют на три фазы:

- томление, фиксация цвета и высушивание пластинки листа;

- досушка средней жилки;

- увлажнение до стандартной влажности [66].

Табачные листья скелетных сортов Остролист, Юбилейный, Трапезонд сушат на солнце в естественных условиях, а также в специальных сушилках -полная искусственная сушка или комбинированный способ, когда томят и сушат пластинку листа в естественных условиях, досушивают среднюю жилку и увлажняют листья в специальных помещениях с использованием искусственного тепла. Листья ароматичных сортов Дюбек, Самсун сушат на солнце в естественных условиях и комбинированным способом. Полная искусственная сушка почти не применяется.

Перед сушкой комбинированным способом табачные листья предварительно закрепляют на шнуры и развешивают в специальных сушильных сооружениях [73, 96, 102, 105]. Для закрепления листьев на шнуры в настоящее время используют табакопришивные машины «Апшерон» и ТПМ-69М [67, 109].

Вопросами сушки растительных материалов и табачных листьев занимались многие исследователи. Теория процесса сушки и увлажнения, а также тепло-массообмена разработана A.B. Лыковым [70, 72]. В.Д. Жуков [48] получил уравнение приведенной скорости сушки теплоизоляционных материалов. A.C. Гинзбург [34], Н.Ф. Докучаев и М.С. Смирнов [45] выявили зависимость влажности материала от продолжительности процесса сушки пищевых продуктов.

Многие авторы Р.И. Гаврилова [33], М.Ю. Лурье [69], В.В. Красников [61] в своих работах отмечают, что изучение закономерностей изменения продолжительности процесса сушки в зависимости от ряда факторов, характеризующих сам процесс и высушиваемый материал, возможно лишь путем экспериментальных исследований. В последние годы для определения продолжительности процесса сушки с минимальным числом опытов используют теорию подобия [42, 43], которая позволяет ограничить расчет только теплообменными критериями [63, 72, 83].

Б.М. Смольский [112] предложил формулу для определения продолжительности процесса сушки хлебопекарных дрожжей, В.А. Рыбарук [110] вывел к�