автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности барабанной корнеклубнеймойки обоснованием конструктивно-режимных параметров

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БАРАБАННОЙ

КОРНЕКЛУБНЕМОЙКИ ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558884 Саратов 2014

005558884

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный руководитель - Мухин Виктор Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Юхин Геннадий Петрович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технологическое оборудование животноводческих и перерабатывающих предприятий» ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ»

Фролов Владимир Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Механизация животноводства и безопасности жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Защита диссертации состоится «26»декабря 2014 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» и на сайте www.sgau.ru.

Отзывы на автореферат направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1. E-mail: cheknuuev.v@vandex.ru.

Автореферат разослан « » sS£><Jс^, % 2014 г.

Ученый секретарь у :

диссертационного совета Чекмарев Василий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. За последнее десятилетие в России произошло снижение производства молочной продукции. Животноводческая отрасль работает в условиях жесткой конкуренции со стороны возросшего импорта. Годовое потребление молока на душу населения в настоящее время составляет 58 % медицинской нормы.

Белковая часть пищевого рациона по нормативам питания должна составлять не менее 14-15% его калорийности, из них 60% - белок животного происхождения, основными источниками которого являются молоко и мясо сельскохозяйственных животных и птиц. Поэтому для удовлетворения потребностей населения в продуктах питания необходимо увеличить прирост продукции животноводства на 120,2% к 2020 г. по сравнению с 2012 г.

Одним из перспективных направлений прироста производства молока является увеличение в рационе животных корнеклубнеплодов, которые обладают высокими продуктивными свойствами. Однако их загрязненность почвой достигает 20 % при зоотехнических требованиях не более 3 % при скармливании животным, чего в достаточной степени не обеспечивают существующие корнеклубнемоечные машины с требуемой технологической производительностью, особенно по очистке свёклы. Использование корнеклубнеплодов с высокой степенью загрязненности приводит к заболеваниям животных. Поэтому совершенствование способов и средств механизации подготовки корнеклубнеплодов к скармливанию животным является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации № 717 от 14 июля 2012 г. «О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы».

Степень разработанности темы. Разработаны и проверены на животноводческих фермах ряд машин по очистке корнеклубнеплодов, изучено взаимодействие их рабочих органов с обрабатываемым продуктом.

Они имеют низкую производительность и качество конечного продукта при большом расходе воды, вызванное длительным пребыванием корнеклубнеплодов в воде.

Использование комбинированных барабанных корнеклубнемоек с душирующими водяными струями и щёточными элементами для активизации очистки приводит к усложнению конструкции и росту удельных затрат ресурсов.

Предлагаемая работа направлена на повышение производительности и качества очистки корнеклубнеплодов.

Цель работы: повышение производительности и качества мойки корнеклубнеплодов за счет совершенствования барабанной корнеклубне-мойки.

Задачи исследования:

- разработать классификацию способов и средств очистки корнеклубнеплодов с определением их перспективного направления развития;

- разработать приборы для изучения физико-механических свойств корнеклубнеплодов и конструктивно-технологическую схему барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки;

- теоретически обосновать рабочий процесс, конструктивно-технологические и режимные параметры барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки;

- исследовать экспериментально влияние конструктивно-режимных параметров барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки на производительность и качественные показатели её работы;

- провести производственные испытания корнеклубнемойки и дать технико-экономическую оценку ее использования.

Научная новизна работы заключается в разработке: классификации корнеклубнемоечных машин; технических решений гидротурбинной корнеклубнемойки, приборов для определения физико-механических свойств корнеклубнеплодов; получении теоретических и экспериментальных зависимостей для обоснования рабочего процесса и определения конструк-

тивно-технологических и режимных параметров корнеклубнемойки.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в: разработке функциональной модели основных материально-энергетических потоков в поточной технологической линии (ПТЛ) подготовки корнеклубнеплодов; получении аналитических выражений для определения производительности ПТЛ очистки корнеклубнеплодов от загрязнителей и производительности барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки; определении аналитических зависимостей конструктивно-режимных параметров гидротурбинной корнеклубнемойки; разработке математической модели движения корнеклубнеплодов в барабане корнеклубнемойки; разработке приборов для определения физико-механических свойств корнеклубнеплодов (патенты RU 117609 Ul; RU 114146 U1); разработке конструктивно-технологической схемы гидротурбинной корнеклубнемойки (патенты RU 70086 U1;RU 87151 Ul).

Производственные испытания опытного образца гидротурбинной корнеклубнемойки в ЗАО «Агрофирма «Волга» и ООО «Орловское» Марксовского района Саратовской области показали, что производительность достигает 5—15 т/ч, остаточная загрязненность составляет 1,5—1,9 %, расход воды на тонну корнеклубнеплодов в 2—2,5 раза меньше в сравнении с существующими машинами.

Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров корнеклубне-моек на стадии проектирования.

Методология и методы исследования. Методологическую основу исследований составили методы системного анализа, математической статистики. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием законов и методов классической механики, гидравлики и математического анализа. Исследования проводились с использованием известных и вновь разработанных приборов и методик. Обработка экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ Mathcad 12, КОМПАС 3D LT V12, Excel.

Положения, выносимые на защиту:

- классификация способов и средств очистки корнеклубнеплодов;

- конструктивно-технологические схемы приборов для определения физико-механических свойств корнеклубнеплодов и барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки;

- аналитические выражения для определения основных конструктивно-технологических и режимных параметров барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки;

- математическая модель движения корнеклубнеплодов в барабане гидротурбинной корнеклубнемойки и времени их обработки;

- результаты экспериментальных исследований по определению конструктивно-технологических и режимных параметров установки и их сравнение с результатами теоретических исследований.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, подтверждаются экспериментальными исследованиями, выполненными в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Основные научные положения, выводы и практические рекомендации доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Саратов, 2010-2013), Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию профессора В.Ф.Дубинина (Саратов, 2010); Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора А.Г. Рыбалко (Саратов, 2011); Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора В.Г. Кобы (Саратов, 2011); научно-практической конференции - 2-й специализированной выставке «Саратов - АГРО - 2011» (Саратов, 2011); Международном научно-техническом семинаре имени В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратов, 2012, 2014); VI Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» (Саратов, 2012); Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и

молодых ученых вузов МСХ РФ, Башкирский ГАУ (Уфа, 2012); VII Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» (Саратов, 2013); Молодежном форуме Приволжского федерального округа «¡Волга- 2013» (Самара, 2013).

По результатам исследований опубликовано 16 печатных работ, в т.ч 3 в рецензируемых научных изданиях; 4 патента на полезную модель РФ. Общий объем публикаций - 5,61 п. л., из которых 3,1 п. л. принадлежат лично соискателю.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» на основании анализа существующих способов и средств мойки корнеклубнеплодов в России и за рубежом в животноводстве, пищевой, сахароваренной и др. отраслях, разработана их классификация, выявлено перспективное направление — создания барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки. Она должна обеспечить востребованную технологическую производительность и качество в соответствии с зоотехническими требованиями по остаточной загрязненности корнеклубнеплодов при высокой безопасности труда и экологичности, а также минимальных материально-технических затратах.

В изучении теории и практики по совершенствованию технологии и средств механизации обработки корнеклубнеплодов и бахчевых перед скармливанием животным значительный вклад внесли ученые: М.Н. Летошнев, В.Н. Синявский, Г.М. Кукта, Г.П. Юхин, A.A. Федоров, В.Ю. Фролов, Б.В. Кононов, А.И. Завражнов, Н.Р. Дервиш, A.M. Калимуллин, Ю.А. Дикарев, С.П. Зайцев, A.A. Катков, Л.П. Карташов, H.H. Колчин, В.М. Мартынов, С.А. Найданов, С.Е. Поздняков, Ч.С.Е. Арданов, М.К. Дусенов, и др. Во многих разработках поведение воды и её роль в повышении производительности и качества мойки не акцентируется, без

учета которой невозможно создать перспективную корнеклубнемойку.

Наибольшими положительными свойствами корнеклубнемоек являются: простота конструкции, высокая эксплуатационная надежность, универсальность обработки корнеклубнеплодов и бахчевых культур, которыми обладают барабанные корнеклубнемойки. Недостатками этих машин является: низкая производительность, длительное нахождение корнеклубнеплодов в воде (до 6 мин), низкая частота вращения барабана (19-25 мин"1), вызванные отсутствием в теории расчёта производительности показателей исходной загрязнённости и потерь обрабатываемой массы, а также приборов для изучения физико-механических свойств корнеклубнеплодов в воде. Все это сдерживает производство и применение барабанных корнеклубнемоечных машин.

Во второй главе «Разработка приборов для изучения физико-механических свойств корнеклубнеплодов и конструктивно-технологической схемы барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки» представлены общие и частные методики исследований, отражающие основные процессы, происходящие в ней. Разработаны многофункциональный прибор и методика одновременного замера длины, диаметра, массы, центра тяжести корнеклубнеплода, прибор для исследования плотности корнеплода в воде и прибор для определения коэффициентов трения корнеклубнеплодов в воде по поверхности текстолита, небьющегося стекла и др. материалов. Прибор позволяет определять истинную плотность и плотность корнеклубнеплодов в воде. Некоторые результаты исследований физико-механических свойств корнеклубнеплодов с помощью разработанных приборов представлены в таблице 1 и в виде графических зависимостей. Истинная плотность сахарной свёклы составляет 1050-1100 кг/м3, кажущаяся плотность 500—750 кг/м3 и плотность в воде 80-200 кг/м3, плотность почвы на корнеплодах 1100 кг/м3.

Основным показателем качества мойки является остаточная загрязнённость 50СТ, которая находится в зависимости от основных размерных

составляющих корнеклубнеплодов, отражённых в виде графиков.

Таблица 1. Кажущая и истинная плотность корнеклубнеплодов - р0, р, плотность корнеклубнеплодов в воде рв, кг/м3, х отношение кажущей плотности к истинной

Название Экспериментальные показатели

А, Р Рв X Рп -Р Рп~РЯ

1. Морковь Каротель 840 1072 232 0,78 -232 608

2. Морковь Нантская 684 1061 377 0,64 -377 307

3. Свёкла кормовая Эккендорфская 656 1123 467 0,58 -467 189

4. Свёкла столовая 772 1069 297 0,72 -297 475

5. Свёкла сахарная Рамонская-931 759 1058 299 0,71 -299 460

6. Картофель Лорх 657 1047 390 0,63 -390 267

Исходная загрязненность корнеклубнеплода сахарной свёклы 2,9 % при массе травной 0,314 кг, уменьшается до 2 % при возрастании массы корнеклубнеплода до 1,558 кг. Истинная плотность и другие физико-механические показатели имеют аналогичную зависимость и для других кормовых культур. Влияние длины корешковой канавки на загрязненность корнеклубнеплода имеет приближённо криволинейный характер и не позволяет сделать точный вывод о пропорциональности её влияния на исходную загрязненность, так как она имеет различную глубину, ширину и форму, и в ней располагаются корешки различного диаметра, густоты и длины.

Проведённые исследования показали, что отмыть до зоотехнических норм отдельные корнеклубнеплоды сахарной свёклы от загрязнителей, находящихся в корешковой канавке, на существующих корнеклубнемойках за время 1-2 мин затруднительно. Применяемые барабанные корнеклубнемойки содержат в общем случае: загрузочную воронку, ванну, внутри которой расположен вращающийся барабан, выгрузную горловину, электродвигатель, грязеотстойник, заслонки для вывода грязи.

Совершенствование барабанной корнеклубнемойки было осуществлено с целью повышения производительности, улучшения качества конечного продукта и снижения удельного расхода воды.

Конструктивно-технологическая схема (рисунок 1) предлагаемой

гидротурбинной корнеклубнемойки в ПТЛ мойки корнеклубнеплодов решает эту проблему. Она включает весы 1, с установленым на них подающим транспортёром 2 с бункером 3 для загрязнённых корнеклубнеплодов.

Транспортёр 2 подаёт корнеклубнеплоды через загрузочную воронку 4 во вращающийся в воде барабан 6, на поверхности которого расположены нагнетательные ковши 7, образующие струи воды для отбрасывания прижатых к внутренней стенке барабана корнеклубнеплодов

Рисунок 1-Технологическая схема барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки в ПТЛ мойки корнеклубнеплодов 1-весы; 2, 18-транспортер; 3-бункер загрязненных корнеклубнеплодов; 4-загрузочиая воронка; 5- кожух; 6-барабан; 7-нагнетательные ковши; 8-пульт управления; 9-секция удаления воды и загрязнителей; 10-выгрузной скребок; 11-шкивы; 12-регулируемый электродвигатель; 13-грязеотстойник; 14-лоток; 15-прижимные ролики, 16-опорно-ведущие ролики; 17-заслонка

и активного их омывания. Секция 9 удаления воды с поверхности корнеклубнеплодов и загрязнителей выбрасывает воду из барабана и с корнеклубнеплодов, а совместно с выгрузным скребком 10 выводит чистые корнеклубнеплоды на выгрузной транспорёр 18. Барабан 6 получает вращение от электродвигателя 12 через опорно-ведущие ролики 16, а удерживается от радиального перемещения прижимными роликами 15. Контроль за технологическими процессами осуществляется с пульта 8.

В третьей главе «Теоретическое обоснование рабочего процесса, конструктивно-технологических и режимных параметров барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки» рассмотрено влияние множества

входных факторов X (рисунок 2) функциональной модели основных материально-энергетических потоков в ПТЛ подготовки корнеклубнеплодов на максимальное энергосодержание конечного продукта факторов У за счёт воздействия возмущающих компонентов Е^/ОМ.Ф-..), отрицательно влияющих на окружающую среду и качество конечного продукта.

Потребителем было поставлено условие: машина должна выдавать востребованную массу конечного продукта Увых, с учетом нормативной остаточной загрязненности 80ст и потерь исходной массы Ат. При этом корнеклубнемойка должна обработать массу корнеклубнеплодов у, больше, чем предусмотрено в рационе животных, на величину потерь исходной массы Д,„ и питательных составляющих.

Возмущающие факторы. Р

Я ,'120% т

Корнеплоды до мойки Механические загрязнители

Э'Штра знецгия ^^ ____

Гчдротурбинная корнеклубнемойка

Корнеплоды после мойки <$г 9?

<3§

Система эффективного использования воды, энергии и корнеплодов

Рисунок 2-Функциональная модель основных материально-энергетических потоков в

ПТЛ подготовки корнеклубнеплодов м/-влажность загрязнителей, %; £-температура среды, °С; <р¡-коэффициент трения корнеклубнеплодов по конструкционным материалам; фг-коэффициент сопротивления сдвигу корнеклубнеплодов в воде

Тогда г выразится в виде уравнения

£ 00+8«« + д™)

где пж-поголовье / половозрастной группы животных, гол.; т -суточная норма корнеклубнеплодов для / половозрастной группы животных, кг/гол., 8исл—исходная загрязненность корнеклубнеплодов, %; Д„,-потери исходной

массы корнеклубнеплодов в виде отломанных корешков, %.

Востребованную массу обработанных корнеклубнеплодов должна удовлетворить экспериментальная барабанная гидротурбинная корнеклубнемойка с производительностью выраженной уравнением

(3, =збоо^эл-/г>,рк„лгэ, (2)

где (2, -производительность барабанной корнеклубнемойки, кг/ч;

Ф,-коэффициент заполнения объёма экспериментального барабана, %. Принимаем ф, =1/3;

V, -скорость транспортирования корнеклубнеплодов в ванне, м/с; рь я — плотность обрабатываемых корнеклубнеплодов в воде, кг/м3; К3 — коэффициент воздействия водяных струй на качественные

показатели обработанных корнеклубнеплодов, который определяется экспериментально и зависит от скорости водяного потока и площади его поперечного сечения Кэ = 1,1 -1,3.

Повышение эффективности технологического процесса мойки корнеклубнеплодов достигнуто за счёт увеличения частоты вращения барабана до критического, установки на нем нагнетательных ковшей , создающих водяные струи, обеспечивающие интенсификацию процесса мойки и сокращение времени пребывания корнеклубнеплодов в воде, через управление скоростью перемещения корнеклубнеплодов.

Количество нагнетательных ковшей 2кт определяется по формуле

ь 7— , , о)

где и;т.с„.— масса воды и корнеклубнеплодов в барабане, кг; ак,Ьк- ширина и высота нагнетательного ковша, м.; Принимаем Ьг равной минимальному диаметру корнеклубнеплода, что исключает обратное попадание его через ковши в ванну; ф„к-коэффициент заполнения ковшей; -радиус барабана, м.; р.,,,, —средняя плотность корнеклубнеплодов с водой в барабане, кг/м3

Под действием центробежных сил Р,„„, (рисунок 3) корнеклубнеплоды 5, находящиеся в ванне 3 с водой 4, прижимаются к внутренней стенке барабана 1 и вовлекаются во вращательное движение.

р,,„,.„. = (4)

где ткор-масса корнеклубнеплодов в ванне, кг; сол.-угловая скорость центра

тяжести корнеклубнеплодов, рад/с; г, „ — радиус центра тяжести корнеклубнеплодов, м.

Корнеклубнеплоды под действием струй воды, нагнетаемых ковшами 2, омываются и отбрасываются ими от внутренней стенки барабана в воду.

!

5

При вращении барабана 1 с частотой со ковши 2 зачерпывают воду, прогоняют её через себя, образуя / количество водяных струй.

Для оптимизации процесса мойки корнеклубнеплодов поделили длину барабана I (рисунок 4) на участки 1г, 12, 1з, 14, по условно выполняемым процессам и сделали анализ силового воздействия на корнеклубнеплоды в среде водяного потока.

Длина секции удаления воды и загрязнителей 14, с поверхности корнеклубнеплода, а также их выгрузки

где - КПД секции удаления воды и загрязнителей, принимается равным 0,95-0,97.

При работе барабанной мойки на участках /2, 13 на корнеклубнеплоды действуют силы: -сила тяжести корнеклубнеплодов, Н; Р„-подъемная сила воды, действующая на корнеклубнеплоды, Н; р — центробежная сила, действующая на корнеклубнеплод, Н; Рв-сила нагнетаемой ковшами воды, Н; ^,-сила Кориолиса, Н.

I

) ГОл

Рисунок 4 - Схема сил, действующих на корнеклубнеплоды во вращающемся барабане, в среде водяного потока Технологические участки: -загрузки, /,-отмокания, /3-активного отмывания, /4-удаления воды и загрязнителей и выгрузки; тк -средняя масса корнеклубнеплода в воде; (0. -угловая скорость вращения барабана; у0 -относительная скорость перемещения корнеклубнеплодов и воды вдоль барабана; а-угол естественного откоса корнеклубнеплодов в воде; тк о -масса струи воды, выбрасываемой ковшом; 02 -производительность корнеклубнемойки по готовому продукту.

Силу тяжести корнеклубнеплодов в воде Ск определяли по формуле

С„. = А{рк-(6) где А —коэффициент формы корнеклубнеплодов; рк, р„-плотность

корнеплодов и воды, кг/м3; ¿'-ускорение свободного падения, м/с2;

<1, -усредненный диаметр корнеклубнеплодов, м.

С учетом эффективного заполнения барабана на 1/3 и его вращения в

водяной среде центробежную силу инерции рч , определяли по формуле

где тк- масса корнеклубнеплодов в барабане, кг.

Силу нагнетаемой ковшами воды Р„, определяли из выражения

Р.=РАя.«МЛ, (8)

где V,-средняя продольная скорость потока воды внутри барабана, м/с. При юбЛ5 = V, силу Р„ определим по формуле

Р, = р.а.ьУ;. (9)

Условие, описывающее движение корнеклубнеплодов вдоль барабана в координатах ху для участка /,, запишем системой уравнений

2Х = о

(10)

где , ^ У„ — сумма проекций действующих сил.

/=1 1.1

Подставив значения проекций сил на оси х и у, получим уравнения:

"'„ —— = Р.аАу' С05( О-'+агсМ — I + А(р, - р„ У/(¡1 эт а'+arclg\ — | + Л { {Ьг)) \ьг)

- Вр^с!] вт а'+а/г/,^-^^ - уЛ(рк - р„ У'ю^Яб сс^а'+ап:^-^^

Сделав соответствующие преобразования, получим

Т ))

(Ьг

a+arctg\ —

\LrJJ

(П)

=Ф

V.. =ф,/ + Л/21щ'

(КА^А соъв-Вс!1 5т#)+<7(5т0-рсозб?)) + т26¡{¡¡(ътв-<рсо$в)

д = Лр.-РЖ '

(12)

(13)

Обозначим т„ = л(р„ -р„)д3 и 0= а'+агс!^^--^ .

Тогда скорость перемещения корнеклубнеплодов V,, на участке /,, /2, и др. вдоль оси барабана корнеклубнемойки будет равна

V, = + ФзНфЛ + 2%. (15)

После преобразований окончательно определим V, по формуле

+ <7(8111

Ар.-Р.

( . (ьг

— 9»соя а +агсЩ

- ВсР 81П

Ьг

а+агс1щ —г-

(цЛ и

\1Г

+ а6Кб вт а'+агсш

а'+агс!—

Ар,-Р. К3

2 /^

2p.vli.Bdl сов / a,+arctg К (чу и г)) + акЬк эш г а'+аг v МП

АР.-РЖ

(16)

Данное выражение позволяет определить математическую модель движения корнеклубнеплодов вдоль внутренней поверхности барабана. Расчетные данные показывают, что V, находится в пределах 0,08-0,12 м/с.

В четвертой главе «Результаты экспериментального исследования гидротурбинной барабанной корнеклубнемойки» представлены результаты исследований разработанной барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки (рисунок 5).

Большое влияние на производительность и качество мойки оказывают радиус барабана, частота вращения и интенсивность воздействия водяных струй на корнеклубнеплоды. Теоретические зависимости показывают, что при частоте вращения барабана 20 < п < 60 мин"1 минимальный радиус барабана >0,1 м ограничен невозможностью обработки корнеклубнеплодов крупнее 200 мм, а максимальный радиус < 0,35 м - опасностью повышенного повреждения корнеклубнеплодов.

5

Рисунок 5 - Общий вид гидротурбинной барабанной корнеклубнемойки

1 - рама; 2 - грязесборник; 3 - сливная трубка; 4 - ванна; 5 - барабан; б -прижимные ролики; 7- пульт управления; 8 - контрольно-измерительные приборы; 9 -загрузочная воронка; 10 - крышка; 11 - выгрузная горловина; 12 - прозрачная стенка с координатной сеткой; 13 - опорно-ведущие ролики; 14 - вода; 15 - корнеклубнеплоды

Исследования экспериментальной корнеклубнемойки проводили при коэффициенте заполнения барабана ф равным 0,1-0,4 с исходной загрязненностью от 3 до 10% с различными корнеклубнеплодами, в т.ч. картофель, морковь, свекла

Результаты исследований (рисунок 6 а), показывают, что производительность С) корнеклубнемойки у экспериментальной мойки

?

95 93

_ %

При коэффициенте заполнения <р~0,3 б

Рисунок 6 - Графики зависимости производительности О барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки в процессе мойки сахарной свеклы:

а - от скорости V, перемещения в барабане; б - от Ь„а исходной загрязненности

возрастает с ростом скорости воды ув при перемещении сахарной свёклы по внутренней поверхности барабана и падает (рисунок 6 б) с ростом исходной загрязнённости 5„„ при коэффициенте заполнения барабана <р от 0,1 до 0,4. Качество мойки Ьост корнеклубнеплодов (рисунок 7 а) при постоянных 8ю, п, (р возрастает с ростом количества ковшей на

барабане и интенсивности воздействия водяных струй п на тонну продукта с влажностью загрязнителя 17,1 %. Его изменение выражается полиномом 2-го порядка. Значение зависимости 1 для =15 т/ч запишется в виде £1ост = 0,00132;гов - 0Д2682КОБ + 4,0.

Среднеквадратическое отклонение ошибки = 0,9945.

Для зависимости 2 производительность ()2 = 10 т/ч «^□ст = 0,01042|ов - 1,08892КОВ + 36,798. При = 0,95^.

Для зависимости 3 (¡>3 = 5 т/ч <53ост = 0,00122^ОВ - 0,0954гков + 2,2388. При = 0,9998.

Выведенные аналитические зависимости 8Ю„, от гт позволяют определить режим работы экспериментальной корнеклубнемойки.

а б

Рисунок 7 - Графики зависимости: а - качества мойки 8аст от числа ковшей и воздействий водяных струй О на тонну продукта с повреждаемостью корнеклубнеплодов > 0.02 %; б - потребляемой мощности от производительности барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки

Оценка сходимости теоретических и полученных экспериментальных данных (рисунок 7 а, б) показала расхождение не более 5 %.

В пятой главе «Результаты производственных испытаний и технико-экономическая оценка работы гидротурбинной барабанной корнеклубнемойки» представлена экономическая эффективность использования экспериментальной корнеклубнемойки. При этом остаточная загрязненность у корнеклубнеплодов достигает 1,7-2,7% при частоте вращения 60 мин"1. В сравнении с щеточно-барабанной корнеклубнемойкой ИП «Кагуй» Ростова-на-Дону у экспериментальной производительность выше в 2,5—5 раз в зависимости от вида и исходной загрязненности корнеклубнеплодов, удельный расход воды на тонну обрабатываемого продукта снижается в 2,5 раза, затраты труда меньше на 0,23 чел-ч/т. Срок окупаемости экспериментальной корнеклубнемойки составляет 0,1 года. Экономия от условно полученной животноводческой продукции, например, молока с 1 тонны корнеплодов составит 25,29 руб/т.

Годовой экономический эффект для ЗАО «Агрофирма «Волга» при подготовке корнеклубнеплодов на молочно-товарной ферме с поголовьем 3000 голов составит 417,325 тыс. руб. в ценах 2013 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ способов и средств разработанной классификации корнеклубнемоечных машин позволил выявить перспективное направление создания барабанной корнеклубнемойки и после изучения физико-механических свойств корнеклубнеплодов в воде с помощью разработанных приборов теоретически обосновать конструктивно-режимные параметры опытного образца, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными результатами и технико-экономической эффективностью, полученной на животноводческих фермах.

2. Из анализа литературных источников и разработанной классификации следует, что перспективным направлением создания конструктивно-технологической схемы для очистки корнеклубнеплодов от загрязнителей является барабанная гидротурбинная корнеклубнемойка. Техническая новизна устройства подтверждена патентами на полезную модель 1Ш 70086 Ш, РШ 87151 1Л. Проведенные исследования физико-механических

свойств корнеклубнеплодов на разработанных приборах, подтвержденных патентами Я(Л 114 146 Ш, 1Ш 117 609 Ш, позволили определить истинную и кажущую плотность свёклы сахарной 1110 и 714 кг/м3, кормовой свёклы 1123 и 656 кг/м3, соответственно моркови 1072 и 840 кг/м3. Центр тяжести корнеклубнеплодов находится на 1/3 длины от их головки, угол трения качения по сухому стеклотекстолиту вдоль оси корнеклубнеплода равен 26°, а в воде - 30°, угол скольжения по стеклу небьющемуся 26°, стальному листу 25°, пластмассе 26°.

3. Теоретические исследования рабочего процесса барабанной гидротурбинной корнеклубнемойки позволили разработать функциональную модель, определяющую входные, возмущающие и выходные факторы, влияющие на эффективность рабочего процесса гидротурбинной корнеклубнемойки. Получены аналитические зависимости для определения производительности, длины барабана, количество ковшей их шага, частоты вращения барабана и математическую модель скорости перемещения корнеклубнеплодов вдоль продольной оси вращения барабана и уравнение потребляемой мощности привода на мойку корнеплодов гидротурбинной корнеклубнемойки.

4. Результаты экспериментальных исследований показали, что остаточная загрязненность корнеклубнеплодов при диаметре барабана 0,6 м, частоте его вращения 60 мин"1, количестве ковшей 12, 24, 48 шт. с размерами 64x115 мм. и шагом соответственно 260, 130 и 65 мм, производительностью 5, 10 и 15 т/ч не превышала 1,7-2,7 %, а расход воды варьировал в пределах 0,1-0,25 л/кг обрабатываемого продукта. Энергоемкость процесса очистки корнеклубнеплодов составляла 0,133-0,4 кВт-ч/т. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал их сходимость в пределах 95-97 %.

5. Результаты производственных испытаний гидротурбинной корнеклубнемойки, проведенных в ЗАО «Агрофирма «Волга» и ООО «Орловское», при обработке сахарной свёклы с исходной загрязненностью 9,9 % с влажностью загрязнителя 15-27 % и производительностью 5, 10 и 15 т/ч, показали, что остаточная загрязненность корнеклубнеплодов нахо-

дится в пределах 1,5—1,9 %, что вполне удовлетворяет зоотехническим требованиям их мойки 2-3%. Экономическая эффективность в результате внедрения гидротурбинной корнеклубнемойки по сравнению с базовой — барабанно-щеточной ИП «Кагуй» позволяет получить снижение затрат труда на 0,23 чел ч/т, экономию затрат энергии на 0,53 кВт-ч/т. Экономия от условно полученной животноводческой продукции, например, молока с 1 т. корнеклубнеплодов составит 25,29 руб/т. перерабатываемых корнеклубнеплодов. Срок окупаемости экспериментальной корнеклубнемойки составляет 0,1 года.

Рекомендации. Полученные результаты могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями при определении параметров корнеклубнемоек на стадии проектирования, в учебном процессе - студентами, аспирантами и научными сотрудниками.

Перспектива дальнейшей разработки темы: совершенствование технологий и средств механизации мойки корнеклубнеплодов путем энергонасыщения конечного продукта за счет рекуперации тепла отработанного теплоносителя на фермах и комплексах АПК позволит повысить сохранность животных и их продуктивность.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Овчинников, A.A. Классификация способов и средств очистки корнеклубнеплодов / В.А. Мухин, A.C. Романов, A.A. Овчинников // Научное обозрение,- 2012. - № 2. - С. 273 - 280 (0,7 п.л./ авт. 0,25).

2. Овчинников, A.A. Установка для мойки корнеплодов / A.A. Овчинников // Техника в сельском хозяйстве.- 2013 — № 4 —С. 9 (0,3 п.л.).

3. Овчинников, A.A. Производительность и потребляемая теплота при мойке корнеклубнеплодов в гидротурбинной корнеклубнемойке / В.А. Мухин, A.A. Овчинников // Тракторы и сельхозмашины. — 2013. — № 11.-С. 36 - 38 (0,33 п.л./ авт. 0,2).

Патенты

4. Пат. № 70086 Российская Федерация, МПК A23N 15/00 (2006.01).

Гидротурбинная корнеклубнемойка [Текст] / Овчинников А. А., Кузнецов В. А., Овчинников А. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» (RU).- № 2007130965/22; заявл. 13.02.2007; опубл. 20.01.2008. Бюл. № 2.

5. Пат. № 87151 Российская Федерация, МПК B65G 47/34 (2006.01). Сбрасыватель кусковых материалов с внутренней вращающейся цилиндрической поверхности [Текст] / Овчинников А. А., Дмитриев В. Ф., Овчинников А. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» (RU).- №2009120877/22; заявл. 01.06.2009; опубл. 27.09.2009. Бюл. № 27.

6. Пат. № 114146 Российская Федерация, МПК G01B 3/16 (2006.01). Многофункциональный прибор для замера параметров корнеплодов [Текст] / Овчинников А. А., Мухин В.А., Овчинников А. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» (RU). - № 2010153649/28; заявл. 27.12.2010; опубл. 10.03.2012. Бюл. № 7.

7. Пат. № 117609 Российская Федерация, МПК G01B3/00 (2006.01). Прибор определения коэффициентов трения корнеклубнеплодов в жидкости [Текст] / Овчинников А. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» (RU). - № 2011139409/28; заявл. 27.09.2011; опубл. 27.06.2012.

В других изданиях

8. Овчинников, A.A. Устройство и методика исследования гидротурбинной корнеклубнемойки / Кузнецов В.А., Овчинников A.A. // Молодые ученые агропромышленному комплексу Поволжского региона:

Саратов,- сб. науч. работ ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007. - № 4. -С. 82 - 85 (0,3 п.л./ авт. 0,2).

9. Овчинников, A.A. Экспериментальная установка и методика ее исследования / Дмитриев В.Ф., Овчинников A.A. // Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию профессора В.Ф. Дубинина,- Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»: Изд-во «КУБиК», 2010. - С. 56 - 59 (0,2 пл./ авт. 0,15).

10. Овчинников, A.A. Методика и результаты исследования физико-механических свойств корнеклубнеплодов / В.А. Мухин, A.A. Овчинников // Научное обозрение.- 2011. - № 1. - С. 13 - 16 (0,5 пл./ авт. 0,25).

11. Овчинников, A.A. Исследования коэффициентов трения качения и коэффициентов сопротивления сдвигу корнеклубнеплодов в воде / В.А. Мухин, A.A. Овчинников // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора Кобы В.Г. - Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»: Изд-во «КУБиК», 2011. - С. 120 - 122 (0,5 пл./ авт. 0,25).

12. Овчинников, A.A. Методика исследования повышения эффективности очистки корнеплодов с помощью водяных струй и воздушно-эмульсионных смесей / В.А. Мухин, A.A. Овчинников // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора Рыбалко А.Г. — Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»: Изд-во «КУБиК», 2011. - С. 91 -94 (0,2 пл./ авт. 0,1).

13. Овчинников, A.A. Теоретическое обоснование параметров корнеклубнемойки / A.A. Овчинников // Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы: сб. статей VI Всерос. науч. -практ. конф. -Саратов: ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»: Изд-во «КУБиК», 2012. - Ч. 2. -С. 115-119(0,3 ил).

14. Овчинников, A.A. Исследование процесса мойки корнеклубнеплодов в водяном потоке / A.A. Овчинников // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники: материалы Междунар. науч. -техн. семинара имени В.В. Михайлова.-Саратов:

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Изд-во «КУБиК», 2012.-№ 25.-С.202 -205 (0,21 п.л.).

15. Овчинников, A.A. Теоретические предпосылки рабочего процесса гидротурбинной корнеклубнемойки / A.A. Овчинников // Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы: сб. статей VII Всерос. науч. - практ. конф./ Под ред. И.Л. Воротникова-Саратов: ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2013. - С. 85 - 87 (0,2 п.л.).

16. Овчинников A.A. Математическая модель движения корнеклубнеплодов в барабане гидротурбинной корнеклубнемойке / В.А. Мухин, А.Ю. Харитонов, A.A. Овчинников // Материалы научно -технического семинара имени В.В. Михайлова,- Саратов: ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», Буква 2014,- С. 112 - 118 (0,4 пл./ авт. 0,2).

Подписано в печать 11.11.14 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 23

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в типографии ООО «Поли-Экс», 410076, г. Саратов, ул. Чернышевского, д. 120А. Тел.: (8452) 23-32-76.