автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение качества сортировки клубней картофеля разработкой и применением машины с барабанным рабочим органом

На правах рукописи

БОЧКАРЕВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ РАЗРАБОТКОЙ И ПРИМЕНЕНИЕМ МАШИНЫ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 2013

г 6 СЕН 2013

005533688

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кухарев Олег Николаевич

Официальные оппоненты: Кшникаткин Сергей Алексеевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Основы конструирования машин и механизмов»

Саяпин Олег Викторович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Процессы и сельскохозяйственные машины в АПК»

Ведущая организация Государственное научное учреждение

«Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ НИИСХ Юго-Востока Россельхозакадемии)

Защита состоится 17 октября в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ПГСХА, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Автореферат разослан 13 сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Картофель является одним из важнейших продуктов рациона людей всего мира. Его производят в 145 странах с использованием различных технологий. В России картофель стал «вторым хлебом», при этом картофель является продуктом питания в свежем или переработанном виде, также идёт и на корм скоту. Картофель используется в трех направлениях: столовое (использования картофеля для питания, а также изготовления из него продуктов переработки), техническое (использование картофеля с содержанием крахмала более 18 % в производстве), кормовое (производство картофеля с повышенным содержанием протеина).

Общая площадь посадки картофеля по России в последние годы установилась на уровне 3 млн. га. Урожайность колеблется в пределах 11,5...22,5 т/га.). В настоящее время более 95 % картофеля в нашей стране производится в личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах с посадочными площадями менее 2 га. При этом уровень механизации работ в этих хозяйствах низкий, а затраты труда при выращивании картофеля высокие. Но при всем этом, мало повысить валовый сбор картофеля, необходимо его сохранить, так как правильная переработка и хранение посадочного материала - основа будущего урожая.

Технологический процесс производства картофеля состоит из нескольких операций, одной из которых является сортирование клубней картофеля на три фракции.

Процесс сортировки клубней картофеля является одним из важнейших в его производстве. От качества фракционного состава семенного материала зависит урожай картофеля и качественные показатели его хранения, а также правильное разделение картофельной массы на фракции, которое дает оптимальный уровень использования картофеля в производстве.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что создание малогабаритной машины для сортировки клубней картофеля внесет вклад в решение проблемы сортировки клубней картофеля на фракции в мелкотоварных хозяйствах.

Поэтому работа, посвященная повышению качественных показателей сортировки клубней картофеля разработкой и применением машины с барабанным рабочим органом, является актуальной и практически значимой для сельскохозяйственного производства.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время разработаны машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом различных конструкций и типов. Решением проблемы сортировки клубней картофеля занимались следующие ученые: Е.А. Беляев, М.А. Бышов, А.И. Вольников, В.П. Горячит, В.А. Грозубинский, Е.А. Глухих, Ю.М. Иванов, М.И. Кан, Д.Е. Кистанов, Е.И. Кистанов, Ю.И. Кириенко, H.H. Колчин, A.B. Козлов, В.А. Макаров, Л.И. Манпиль, Д.Н. Мишин, В.М. Мосин, А.И. Новожилов, М.Я. Осипов, Г.Д. Петров, Н.М. Постников, Ю.С. Папаниколау, Я.А. Рабаунис, В.В. Рябкова, О.В. Саяпин, A.A. Сорокин, Ю.Я. Сычев, В.П. Трусов, Н.В. Татьянко, Н.В. Шабуров, A.A. Шаб-лыкин, С.М. Щенников, B.C. Юрасов, Yasuaki Yamane, Koichi Miyake, Hideo Fu-nahashi, Masao Murakami, P.E. Malcolm и другие ученые. Машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом различаются как по конструкции основного рабочего органа, так и по конструкции рабочей сепарирующей поверхности. Имеются машины, барабанный рабочий орган которых расположен горизонтально и под углом к горизонту. Так же известны машины, в которых один барабанный орган установлен внутри другого (параллельная сортировка). Поверхности ос-

з

новного рабочего органа машин для сортировки клубней картофеля исполняются в виде: продольных щелей, круглых просветов, квадратных просветов, шестиугольных просветов, спиральной навивки внутри рабочего органа и эластичной поверхности. Наибольшее распространение получили машины с квадратными просветами и продольными щелями.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на 2010 - 2013 гг., тема № 11 «Разработка рабочих органов машин для ресурсосберегающих технологий производства сельскохозяйственных культур» и отраслевой целевой программы «Развитие овощеводства и картофелеводства в Пензенской области на 2010-2012 годы».

Цель работы - повышение качества сортировки клубней картофеля разработкой и применением машины с барабанным рабочим органом, обеспечивающей оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля.

Задачи исследования:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом с учетом физико-механических свойств клубней картофеля новых районированных сортов.

2. Теоретически обосновать конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом.

3. Разработать и изготовить опытно-конструкторский образец машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля и выполнить экспериментальные исследования по определению её оптимальных конструктивно-режимных параметров.

4. Провести исследования в условиях производства машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля и определить технико-экономическую эффективность применения результатов исследований в производстве.

Объект исследования. Технологический процесс сортировки клубней картофеля машиной с барабанным рабочим органом.

Предмет исследования. Конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля.

Научная новизна:

- теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, обеспечивающее повышение качества сортировки клубней картофеля;

- конструктивная схема и конструкция машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля;

- оптимальные конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом;

- показатели (точность сортировки клубней картофеля в %, количество травмированных клубней картофеля в %), оценивающие качество сортировки клубней картофеля при применении машины с барабанным рабочим органом.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2,477598.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты научных исследований послужили основой для разработки машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля. Использование машины с барабанным рабочим органом позволяет повысить оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля (точность сортировки клубней картофеля до 95 %, обеспечить количество поврежденных клубней не более 1,7 %). Машина с барабанным рабочим ор-

ганом для сортировки клубней картофеля внедрена в ИП К(Ф)Х Федоров В.В. и ИП К(Ф)Х Степашкин Александр Федорович, а также принята ООО «КЗТМ» г. Кузнецка Пензенской области к серийному производству. Министерством Пензенской области машина с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля рекомендована для серийного производства на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения Пензенской области.

Методология и методы исследований. Исследования проводились общенаучными методами - теоретическим и экспериментальным. Теоретически исследования проводились методом формализации, с использованием известных положений теории машин с барабанным рабочим органом и теории грохота. Экспериментальный метод исследования строился на методах сравнения и моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и лабораторно-полевых условиях на основе общепринятых методик в соответствии с действующим отраслевым стандартом СТО АИСТ 8.5-2010, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента.

Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Технологическая схема и конструкция машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля.

2. Теоретическое описание процесса сортировки клубней картофеля машиной с барабанным рабочим органом.

3. Результаты экспериментальных исследований машины для сортировки клубней картофеля, подтверждающие основные конструктивные и режимные параметры (частота колебаний барабанного рабочего органа, высота сегментных упоров обечайки барабанного рабочего органа, угол наклона барабанного рабочего органа относительно горизонта, частота вращения барабанного рабочего органа).

4. Результаты исследований машины для сортировки клубней картофеля в производственных условиях по определению оптимального значения частоты вращения барабанного рабочего органа машины, угла наклона барабанного рабочего органа машины, производительности машины для сортировки клубней картофеля, а также экономическая оценка эффективности применения машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля.

Степень достоверности и апробация результатов. Обеспечена сходимость теоретических и экспериментальных данных, равная 97 %, подтвержденная теоретическими исследованиями, практической реализацией разработки в лабораторных и производственных условиях.

Основные результаты исследований представлялись в качестве инновационного проекта на научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Пенза 2011 г.), в результате которого получено право на заключение государственного контракта на выполнение НИОКР по теме: «Комплекс машин для производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах».

Основные результаты исследований диссертации доложены и одобрены на:

- научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2010-2013 гг.);

- всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2010 г.);

- всероссийской научно-практической конференции «Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России» ФГТБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011г.);

- международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева» и 50-летию кафедры сельскохозяйственных машин «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева» (Саранск, 2011 г.);

- во втором туре Всероссийского конкурса научных работ студентов высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального органа в ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» (2011 г.);

- международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (2011) г;

- всероссийской научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012 г.).

- всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей (две без соавторов), в т.ч. 5 в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК». Общий объём 1,75 п.л., из них автору принадлежит 0,65 п.л. Получен патент РФ на изобретение № 2477598.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 104 наименований и приложения на 41 с. Работа изложена на 172 е., содержит 17 табл. и 45 рис., приложение содержит 13 табл. и 20 рис.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса механизации сортировки клубней картофеля» приведены агротехнические требования процесса сортировки клубней картофеля и проведен анализ средств механизации для сортировки клубней картофеля. Выявлено, что наиболее оптимальными параметрами для мелкотоварных хозяйств обладают машины для сортировки клубней картофеля барабанного типа в связи с их распространенностью и простотой изготовления.

Однако проблема применения машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим недостаточно изучена.

Приведена физико-механическая характеристика новых районированных сортов картофеля («Баритон», «Матушка», «Русский Сувенир»), выведенных в «ГНУ Пензенский научно-исследовательский институт сельского хозяйства». Анализ полученных данных показывает, что значения размерно-массовой характеристики клубней картофеля сортов «Баритон», «Матушка», «Русский Сувенир» изменяются в пределах: длина - 30,2 ...90,4 мм; ширина - 22,5 ...61,1 мм; толщина - 21,4 ...48,7 мм; масса- 9 ...133 г.

Исходя из результатов проведенного анализа и в соответствии с целью исследований, сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе «Теоретическое исследование рабочего процесса машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом» предложена

конструкция машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, определены параметры движения клубня в полости барабанного рабочего органа, частоты вращения барабанного рабочего органа, частоты колебания барабанного рабочего органа, минимальная скорость вращения обечайки барабанного рабочего органа.

Для улучшения качества сортировки клубней картофеля на фракции, предлагается машина (патент РФ № 2477598) для сортировки клубней картофеля (рисунок 1).

19 20 21 22 23 21 1 2 3 ( 5 6

Рисунок 1 — Технологическая схема устройства для очистки и сортировки корнеклубнеплодов: 1 — нижний цилиндрический барабан; 2 — верхний цилиндрический барабан; 3 - прутки; 4 - обечайка; 5 - сегментный упор; б — лоток; 7 — цилиндрические ролики; 8 — вилка передняя; 9 - лоток для приема примесей; 10 — лоток для приема мелкой фракции; 11 — лоток для приема средней фракции; 12- лоток приема крупной фракции; 13 — винтовой механизм; 14 - рама; 15 - электродвигатель; 16 -ременная передача; 17 - вилка опорная задняя; 18 — шкив; 19 - подшипниковый узел; 20 — приводной вал; 21 — упругая муфта; 22 — ролики; 23 — ведомый вал; 24 - обечайка

Машина для сортировки клубней картофеля работает следующим образом: клубни картофеля подаются в приемную камеру, образованную приемным лотком 6 и верхним цилиндрическим барабанным органом 2. Попадая на лоток 6, расположенный под углом к горизонту, клубни картофеля под действием силы тяжести перемещаются по поверхности пруткового лотка 6, где происходит отделение почвенных примесей за счет выполнения лотка из прутков, расстановленных с шагом, который позволяет примесям проваливаться на лоток для приема мелких примесей. Далее ворох очищенных клубней (крупная, средняя и мелкая фракция) поступает на внутреннюю поверхность верхнего цилиндрического барабанного рабочего органа 1, расположенного под углом к горизонту, который вращается с угловой скоростью со от ведомого вала 23, соединенного с фланцем, установленным на крестовине нижнего барабанного рабочего органа. Ведомый вал 23 посредством упругой муфты 21 соединяется с валом привода 20.

На конце вала привода 20 установлен шкив 18, который соединен через ременную передачу 16 с электродвигателем 15. Также рабочий барабанный орган 1,2 совершает гармонические колебания в вертикальной плоскости, совпадающей с продольной осью барабанного рабочего органа за счет симметрично нанесенных на поверхность обечайки 4 упоров 5 в форме сегментов круга, которые, набегая на цилиндрические ро-

лики 7, ось которых отклонена от продольной оси цилиндрических барабанов на угол«, установленные на вилке 8 и, сбегая с них, создают колебания барабанного рабочего органа 1,2, и под действием силы тяжести, клубни, имеющие размер меньше просвета между прутками верхнего барабанного органа 2 проходят через обрезинен-ные прутки 3 на обрезиненный лоток 10 для приема мелкой фракции. Оставшаяся часть клубней, средняя и крупная фракция проходит на внутреннюю поверхность нижнего барабанного органа 1, расположенного под углом к горизонту, где под действием силы тяжести клубни, имеющие размер меньше просвета между прутками нижнего барабанного органа 1, проходят через просветы между прутками. Таким образом, происходит отделение средней фракции на приемный обрезиненный лоток 11 для приема средней фракции. Оставшаяся часть корнеклубнеплодов, крупная фракция, сходит с конца нижнего барабанного органа 1 на приемный обрезиненный лоток 12 для приема крупной фракции.

В технологическом процессе работы можно рассмотреть два условия: в первом случае имеет место процесс без отрыва клубня от поверхности барабанного рабочего органа, во втором случае с отрывом клубня.

Для исследования принимаем во внимание следующие упрощения: клубень картофеля рассматриваем как частицу М (материальную точку), которая находится под действием внешних сил, частота вращения барабанного рабочего органа постоянна, линейная скорость крайней точки обечайки барабанного рабоче органа постоянна.

При медленном вращении барабанного рабочего органа, центробежную силу можно не учитывать, тогда частица М будет находиться под действием двух сил (рисунок 2), силы тяжести б и силы трения ^, связанных между собой соотношением: < Р = А1 = ]Осоър, (1)

' 1— где / - коэффициент трения частицы М о

поверхность барабанного рабочего органа;

Р — угол поворота барабанного рабочего органа, град.

Влияние центробежной силы проявляется в том, что частица М поднимается по цилиндрической поверхности выше, чем при отсутствии этой силы. Угол подъема частицы с учетом действия центробежной силы:

Р = <р + агсэт

-втр

(2)

Рисунок 2 - Схема равновесия части- т.е. угол подъема /? больше угла трения р.

Частота вращения барабанного рабочего органа, при которой происходит подъем частицы М на заданный угол

цы М, находящейся на неподвижной внутренней поверхности рабочего барабанного органа.

= 30 /зіп(/7п

Б гг \! Р слг\ т V Яяіп

■<Р)

(3)

к У Лвшр V Язтр

где пБ - частота вращения барабанного рабочего органа при определенном угле подъема частицы М, минДля того, чтобы частица М поднялась на угол РП = 45°, необходимо чтобы пБ = 44 мин"1.

Поднявшись вместе с поверхностью барабанного рабочего органа до точки А1, определяемой углом подъема (выражение 2), частица М начнет скользить вниз по линии наибольшего ската А,В1г отклоняющейся от вертикали на угол е, определяемый по формуле Л. Б. Левенсона:

Бт2 а

+ 2 а)

а

соэ 2 а

tg2p + sm2 а

(4)

Если угол а -5...10°, и угол подъема частицы /3> 45°, угол отклонения е согласно выражению 2 может быть принят равным а .

Вследствие непрерывного вращения барабанного рабочего органа (рисунок 3), точка В, перейдет в точку А2, то отрезок винтовой линии В,А1 будет непосредственным продолжением отрезка А1В1 на внутренней поверхности барабанного рабочего органа.

Относительную траекторию частицы М на внутренней поверхности барабана можно приближенно представить непрерывной винтовой линией А2В2, А3В,, ...

А¡В/ и т.д., по которой осуществляется движение частицы М с паузами, которые происходят во время подъема частицы М по дугам, лежащим в плоскости вращения В А, В, А2 В2А,, ... В/ 1 и т.д.

Рисунок 3 - Схема движения частицы М по поверхности наклонного цилиндрического барабанного рабочего органа без отрыва частицы М от поверхности

При небольшом угле наклона барабанного рабочего органа а, угол винтовой линии можно принять равный двум углам а, тогда уравнение будет выглядеть следующим образом

8 = а + в~2а = 10...20

(5)

Путь, проходимый частицей М (крупная фракция) по барабанному рабочему органу от начала до конца, определяется:

з = И$т8 (6)

где 5 - путь, проходимый частицей М по барабанному рабочему органу, мм; Ь -длина барабанного рабочего органа, Ь = 1500 мм.

В соответствии с большей длиной пути прохождения частицы М по поверхности барабанного рабочего органа и увеличением времени контакта частицы М с поверхностью барабанного рабочего органа вытекает основное достоинство машин с барабанным рабочим органом. При угле наклона барабанного рабочего органа а = 5...10°, частица проходит путь в 3...5 раз больше длины барабанного рабочего органа.

Находим скорость У^ осевого перемещения частицы М, используя равенство (6):

I _Ть2л:

соЯ ' (7)

откуда определяем скорость осевого перемещения частицы М по барабанному рабочему органу

Подставив значение Ь = Ть 27zRtgS, получим

= (9)

где Уь -скорость осевого перемещения частицы М, =0,16 м/с; Я — радиус барабанного рабочего органа, м; — число оборотов, которое должен совершить барабанный рабочий орган, чтобы частица М, движущаяся по линии АВ, прошла всю длину, шт.

Исходя из уравнения (9), получаем, что скорость подачи барабанного рабочего органа У^, работающего при первом режиме, прямо пропорционально его угловой скорости со, радиусу Я и тангенсу двойного угла а наклона барабанного рабочего органа.

Производительность машины для сортировки клубней картофеля:

е = (Ю)

где у/ —коэффициент разрыхления картофельного вороха; Рп~ плотность вороха,

кг/м3; ^ - площадь сечения слоя вороха в барабанном рабочем органе, м2.

Принимая по Л.Б. Леве'нсону площадь параболического сегмента, получаем:

Р = -ак = -И-2$Ъ~Ш*\,9-(ю? . (11)

3 3

Отсюда определяем производительность машины для сортировки клубней картофеля

6 = ^1 = =»2. (12)

Производительность машины с барабанным рабочим органом составит 1,5 кг/с.

Рассмотрим второй случай, когда на частицу М (движущуюся на внутренней поверхности барабанного рабочего органа) действует сила в вертикальной плоскости, которая подкидывает её, тогда частица М движется как тело, брошенное под углом \[/ к горизонту.

Отрыв частицы М от поверхности барабанного рабочего органа будет происходить только в том случае, когда нормальная составляющая ускорения выступа при его набегании на ролик должна быть больше нормальной составляющей ускорения свободного падения.

iп>qcosa. (13)

Принимаем две системы координат (рисунок 4): а) неподвижную с осями £ и 77, направленными по горизонтали и вертикали, б) подвижную с осями х и у, направленными по главным полуосям эллипса. Обозначим точку касания сегментного

Поверхность Выступа

выступа с роликом точкой А, её координаты в подвижной системе соответственно обозначатся, как хА и ук,точку пересечения сегментного упора с осью 77 через В, ее ординату в системе координат 77^ через А.

Частота колебаний барабанного рабочего органа, происходящих в результате набегания сегментных упоров на цилиндрические ролики машины для сортировки клубней картофеля определяется:

60 60 • IVс

■■ — --— - 120 —

(14)

Т Ьс 1с

где Т -период колебаний, 1 /с; V- частота колебаний барабанного рабочего органа, Гц; УБ - линейная скорость обечайки барабанного рабочего органа Рисунок 4 - Схема для определения законо- (линейная скорость сегментных упо-мерностей колебания барабанного рабочего ров), м/с; іс - расстояние между сег-органа машины для сортировки клубней ментными упорами на обечайки рабоче-картофеля го органа, м

Периметр сегментного упора можно определить как периметр половины эллипса

р= 1 2 -1 (15)

где а-длина большой полуоси,а = 0,015 м; Ъ-длина малой полуоси, 6 = 0,01 м. Из треугольника ОАВ (рисунок 4) определяем скорость точки А:

Ул=Р

с1(р

(16)

при этом проекция скорости УА на горизонтальную ось ролика равна линейной скорости барабана.

УА =р-т- соъу/ ш

(17)

Точка С - есть пересечение горизонтальной оси цилиндрического ролика с осью х. Взаимодействие сегментного упора и цилиндрического ролика проходит по касательной, проведенной через точку А их касания. Напишем уравнение прямой, проходящей через точку с координатами, хк , уА перпендикулярно оси Т]:

У~Уа=-^<р(х-ха).

Уравнение касательной к эллипсу в точке с координатами , уА

ххА УУА

а2 Ь2

(18) (19)

После интегрирования получаем следующее уравнение

а2хА

ь2у

х +-

'А уА

Решая уравнения (18) и (19), получаем:

ъ2 У А

а2

У А =-■

У о

Выразим хА и >"д через полуоси эллипса (сегментного упора)

Ь — ctga>

(23)

1 +—ctg2tp

а-1 (24)

ji+^-c/gV

V л

Из уравнения (23 и 24) следует, что при ус = О

х + x (25)

Подставляем из уравнения (23) и (24) значения и уА в выражение h = ха sin (р, находим

A = J*Í + (l-íL)sitlV (26)

V а я

Дифференцируем ii/г по Л с использованием уравнения (26) и получаем нор-'мальную составляющую линейной скорости сегментного упора по ролику:

dh _dh_Vb__y (l-¿2)siny>cosy> ^7)

~dt~dt h ~ 3 k2 +(l-k2)sm2tp

Повторно дифференцируя уравнение (27) и решая его, получим значение угла поворота ролика, при котором нормальная составляющая линейной скорости сегментного упора будет иметь экстремальное значение. Угол поворота ролика обозначим через <pi.

i j

max=*y¡7pr (28)

Из этого следует, что угол поворота ролика, соответствующий экстремальной линейной скорости сегментного упора, зависит только от соотношения полуосей упора и не зависит от их абсолютных размеров.

Для определения экстремального значения функции ускорения, определяем третью производную. Числитель второй производной обозначим через П, а знаменатель через ©.

d2hJÍ(l (29)

di2 « ®(Р)

тогда

dip w> dtp , (30) dv- ~ ©2(f>)

Исходя ИЗ ТОГО, ЧТО -~ С05(рт\(р И -созрзш^, то экстре-

¿.(р с1(р

малыше значения функции будут при т = ж / 2.

Определяем угол ф2 , при котором ускорение будет максимальным. Третья

производная после упрощения примет вид:

&2(1 + £2) + |/с2(1-/с2)

(1 - Л4)-|(І - /с4)^зіп2 ^ = О - (31)

Угол поворота ролика ср2тзх, при котором ускорение сегментного упора достигает экстремального значения от параметров а и Ъ.

кіГ

■ 2 2 sin ¿<p2m

(l+/t2)+-(l-i2)

З (1-і4)

(32)

. 2 к2 7 — Зк2

Sln (33)

Поскольку sin2 q> не может быть больше единицы, то не при любых значениях к существует дополнительный экстремум (кроме (р- 0 и к! 2). Конечную форму сегментного упора определяем отношением между полуосью b и а .

к = Ы а, (34)

к2 = — k-ß- = 0,65 • (35)

7 V 7

Отрыв материала от поверхности барабанного рабочего органа будет происходить при минимальной скорости, при к > V3/7 . При <р = п 12, этп= 1.

Щ (36)

Л утах а

V2 ,

— (1 ~к2) = ё- (37)

а

Минимальная скорость сегментного упора барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля, при которой осуществляется отрыв клубня от поверхности барабанного рабочего органа

V . = (38)

гат Ч(1-к2)'

В результате теоретических исследований обосновано уравнение траектории движения частицы во внутренней полости барабанного рабочего органа, получена формула для определения высоты сегментного упора обечайки барабанного рабочего органа. Также получено значение минимальной скорости обечайки барабанного рабочего органа Ут-т = 0,64 м/с и определена оптимальная частота вращения пБ = 24,45 мин"1 барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля.

В третьем разделе «Программа, методика и результаты экспериментальных исследований машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом» изложены основные методики проведения лабораторных, полевых и производственных исследований качественных показателей сортировки клубней картофеля машиной с барабанным рабочим органом.

Программа исследований включала:

- определение оптимальных конструктивных и режимных параметров машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом;

- определение показателей, оценивающих качество сортировки клубней картофеля (точность сортировки клубней картофеля в % и количество травмированных клубней картофеля в %) машиной с барабанным рабочим органом;

- определение пропускной способности машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом;

- определение процента повреждения клубней картофеля.

Лабораторными исследованиями определяли конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом (высота сегментных упоров, угол наклона барабанного рабочего органа, частота колебаний барабанного рабочего органа, частота врашения барабанного рабочего органа). Лабораторные исследования включили в себя многофакторный эксперимент, который проводился по общепринятым методикам. При проведении многофакторного эксперимента, за критерий оптимизации была принята точность сортировки клубней картофеля (Кч, %).

Для определения точности сортировки клубней картофеля проводили опыты в трехкратной повторности. При этом, после каждого опыта подсчитывали массу клубней в каждой из фракций и вычисляли точность сортировки клубней картофеля по формуле (39).

Ки =

Е?/

(39)

где п" - количество фракций, пгг; qj - общая масса картофеля в J - к фракции, кг. Kj- точность сортировки клубней картофеля для каждой фракции, %; -точность сортировки клубней картофеля машиной с барабанным рабочим органом, %.

Сравнительные исследования машины для сортировки клубней картофеля проводили на исходном материале, соответствующем требованиям ТЗ (ТУ) на испытуемой машине. Количество исходного материала, необходимого для испытаний, устанавливали в зависимости от производительности испытуемой машины, количества опытов и их продолжительности. Продолжительность опыта устанавливают от 0,5 до 2 мин. Опыты проводили во время работы машины в лабораторных и производственных условиях.

При проведении лабораторно-полевых исследований были использованы следующие приборы и оборудование: лабораторная установка (рисунок 5), цифровой фотоаппарат KODAK EASYSHARE С1530 Black; секундомер ГОСТ 5072-79; весы лабораторные МК-15.2-А 21; штангенциркуль электронный ШЦЦ-10-150 0.01; тахометр бесконтактный ТЦ-34, рамки 2 шт 750x750x150 мм, 1 шт 600x400x150 мм.

Рисунок 5 - Общий вид лабораторной установки для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом: I - устройство для сортировки с барабанным рабочим органом: 2 - цепная передача; 3 - цепной редуктор; 4 - мотор-редуктор; J -рама

Лабораторные исследования включали определение влияния отдельных факторов, влияющих на точность.^, % сортировки клубней картофеля. При проведении опытов были отобраны 8 факторов, влияющих на точность сортировки клубней картофеля. В результате отсеивающего эксперимента выделили три наиболее значимых фактора: V - частота колебаний барабанного рабочего органа, Гц; а - угол наклона барабанного рабочего органа, град; к - высота сегментных упоров, мм.

За критерий оптимизации Кч, % сортировки клубней картофеля принимали точность сортировки клубней картофеля по машине в целом.

После обработки результатов многофакторного эксперимента на ПЭВМ получили адекватную математическую модель второго порядка, описывающую зависимость Кч = /{И,а,у)ъ закодированном виде:

Г = 95,75526 + 4,3029*1 + 1,9904*2 +1,8914*3 ■

0,0004* і -0,0001*2 -,+

(40)

+ 0,0001*z3 -0,0424*|*2 +0,0200*,*з +0,018б*2*3.

Для описания поверхности отклика уравнением второго порядка использовали теорию планирования многофакторного эксперимента униформрототабельного плана. После обработки результатов получена адекватная модель точности {Кч, %) сортировки клубней картофеля в раскодированном виде, которой удобно пользоваться в инженерных расчетах:

У = 18,927 +1,309■ h + 6,855■ а + 0,698• v -0,027 h1 -0,772-а2 - ^

-0,0041-v -0,012-/¡а + 0,00003 - ft-v + 0,03475 a-v

ЗО Contour РкЦгосоодиоя метоищ SVlEc)

ЗО Contour Рп! (господам «отопив Sv-lScj

6 ю її к 16 18 го 12 г» 16 гв зо эг з< — за

Высота сегментных упоров Ь. мм "_8г ,, —«■

Высота сегментных упоров її, мм

ЗО СоГіїоиг РІОІ (оооледрвв мвтріщд 6у'15с)

г исунок о - Двухмерные сечения, характеризующие зависимость точности (Кч, %) сортировки клубней картофеля от частоты колебания барабанного рабочего органа (у), угла наклона (а) барабанного рабочего органа, высоты сегментных упоров (к)

Зі

2 Анализируя графическое изоб-

ар ражение двухмерных сечений (рису-Угол наклона барабанного рабочего — ^ нок 6), можно сделать вывод, что оп-органа а, град тимальные значения конструктивных и

режимных параметров машины для сортировки клубней картофеля находятся в интервалах: высота сегментных упоров А = 19...20 мм; угол наклона барабанного рабочего

органа машины для сортировки клубней картофеля относительно горизонта, а = 6...7 град; частота колебаний барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля v = 105...125 Гц, при этом параметр оптимизации Кч, точность сортировки клубней картофеля будет составлять 94...96 %.

В четвертом разделе «Исследование машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, в условиях производства» приведено обоснование применения машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, а также уточнение оптимальных конструктивных и режимных параметров работы машины в условиях производства.

Исследованиями в условиях производства определяли конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом (высота сегментных упоров), а также качественные показатели сортировки клубней картофеля (точность сортировки клубней картофеля Кч %, количество поврежденных клубней %).

Условия проведения исследований были следующие: картофель выкапывался и закладывался на временное хранение (2 недели) в закрытое помещение, после чего его сортировали. Испытания машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом проводились в хозяйствах Пензенской области в ИП К(Ф)Х Федоров В.В. и ИП К(Ф)Х Степашкин Александр Федорович, на картофеле сорта «Русский Сувенир».

Оптимальные конструктивные и режимные параметры экспериментальной машины для сортировки клубней картофеля находятся путем изменения основных параметров машины и определения точности (Кч, %) сортировки клубней картофеля.

На рисунке 7 представлена зависимость точности сортировки клубней картофеля

Кч, % от высоты сегмент-Y-8722-S.6729'x-l1071'x них уп0ров {К). Результаты

производственных исследований обрабатывались с помощью прикладной программы «Statistika» Version 6.0.

Анализ полученной зависимости позволяет сделать вывод о том. что высота сегментных упоров оказывает существенное влияние на точность сортировки клубней картофеля на фракции. Оптимальное значение высоты сегментных упоров находится в интервале 17 ... 22 мм.

Травмирование клу-

95

9+

95

-І- 91

■ 90

87

ь

V

с )

10 15 20 25 30

Высота сегментных упоров h, мм

Рисунок 7 - Зависимость точности (Кч, %) сортировки клубней картофеля от высоты (к) сегментных упоров, мм.

бней картофеля определяли на пяти режимах работы машины при частоте вращения барабанного рабочего органа 10, 15, 20, 25 и 30 мин'1. В результате испытания строили график (рисунок 8) зависимости повреждения клубней в %, от частоты вращения барабанного рабочего органа.

Анализ графической зависимости поврежденных клубней картофеля от частоты вращения барабанного рабочего органа позволяет сделать вывод о том что, при частоте вращения барабанного рабочего органа в интервале 10...25 мин"', количество поврежденных клубней находится в интервале 0,75... 1,7 %, который соответствует требованиям СТО АИСТ 8.5-2010.

В результате исследований в условиях производства также было проведено исследование производительности машины с барабанным рабочим органом.

Оптимальная производительность машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом составила 1,0 кг/с при частоте вращения барабанного рабочего органа 25 мин"', при этом точность Кч, % сортировки клубней картофеля составила94...95%.

В пятом разделе «Экономическая оценка применения машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом» провели экономические расчеты внедрения машины для сортировки клубней картофеля, которые показали её эффективность. Эксплуатационные издержки сортировки клубней картофеля экспериментальной машиной с барабанным рабочим органом увеличились на 13,2 руб./т, экономия от внедрения экспериментальной машины для сортировки клубней картофеля составляет 206,20 руб/т. Годовой экономический эффект при нормативной годовой загрузке 250 ч составил 1845,25 руб. на одну машину. При этом машина для сортировки клубней картофеля окупится при сортировке 297,7 т картофеля.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ известных машин для сортировки клубней картофеля показал, что наиболее выгодным типом машин для сортировки клубней картофеля в мелкотоварных хозяйствах являются машины с барабанным рабочим органом в виду простоты конструктивного исполнения. В настоящее время имеющиеся машины с барабанным рабочим органом не полностью отвечают требованиям по качеству сортировки клубней картофеля. При оснащении машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом механизмом, который позволит рабочему барабанному органу совершать колебания в продольной вертикальной плоскости, улучшатся оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля на фракции и повысится производительность машины.

В результате исследований физико-механических свойств клубней картофеля, размерно-массовой характеристики клубней сортов «Баритон», «Матушка» и «Русский Сувенир», получены данные, необходимые для обоснования конструктивно-технологической схемы машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом.

Y * -0.

Частота врэшенпя барабанного рабочего органа, мин"1

Рисунок 8 - Зависимость количества травмированных клубней картофеля в %, от частоты вращения пБ барабанного рабочего органа

2. Предложена конструктивно-технологическая схема машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом. Теоретическими исследованиями было обосновано уравнение траектории движения частицы во внутренней полости барабанного рабочего органа, формула для определения высоты сегментного упора обечайки барабанного рабочего органа. Также была получена формула для определения минимальной скорости обечайки барабанного рабочего органа и определена оптимальная частота вращения барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля.

3. В результате лабораторных исследований были определены оптимальные конструктивно-режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, позволяющие установить наилучшие качественные показатели сортировки клубней картофеля. Изготовлен опытный образец машины для сортировки клубней картофеля. Получено уравнение регрессии, с помощью которого определены оптимальные значения конструктивно-режимных параметров машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля: высота сегментных упоров Л = 17...23 мм; угол наклона барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля, относительно горизонтали, а = 6...8° град; частота колебаний барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля v = 105...125 Гц, при этом точность (оценочный показатель качества сортировки клубней картофеля Кч,%) составит 94... 96 %.

4. Исследования экспериментальной машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом в условиях производства подтвердили достоверность теоретических расчетов и лабораторных исследований. Оптимальные значения качественных показателей сортировки клубней картофеля достигаются при высоте сегментных упоров h = 17...23 мм. Определена производительность машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, которая составила 1,3 кг/с при частоте вращения барабанного рабочего органа 25 мин " , при этом, количество травмированных клубней (оценочный показатель качества сортировки клубней картофеля) при частоте вращения барабанного рабочего органа 10...25 мин " находится в интервале 0,7... 1,6 %. Исследования машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом в условиях производства позволили определить факторы, влияющие на качественные показатели сортировки клубней картофеля на три фракции в реальных производственных условиях.

Экономические расчеты внедрения машшш для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом показали её эффективность. Удельные эксплуатационные затраты при применении машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом увеличились на 13,21 руб./т, годовая экономия от внедрения экспериментальной машины для сортировки клубней картофеля составляет 206,20 руб/т. Годовой экономический эффект при нормативной годовой загрузке 250 ч составил 1845,25 руб. на одну машину. При этом машина для сортировки клубней картофеля окупится при сортировке 297,7 т картофеля.

Основные положения опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ларюшин, Н.П. Эффективность применения комплекса машин для производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев и др. // Нива Поволжья. -2011. -№ 4 (21). - С. 97-101.

2. Ларюшин, Н.П. В основе разработки техники - физико-механические свойства картофеля / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев и др. // Картофель и овощи. - 2012. - № 7. -С. 10-11.

3. Ларюшин, Н.П. Механизация производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, A.A. Роньжин, С.Н. Федянин, B.C. Бочкарев // Научное обозрение. -2012. -№ 4. -С. 142-147.

4. Ларюшин Н.П. Теоретическое исследование рабочего процесса барабанной картофелесор-тировки / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии.-2012.-№ 3,-С. 19-24.

5. Ларюшин, Н.П. Результаты лабораторных исследований машины с барабанным рабочим органом для сортирования клубней картофеля / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев // Нива Поволжья. - 2013. 2 (27). - С. 78-82.

Патент на изобретение

6. Пат. РФ 2477598, МПК (51), А 01 D 33 / 08 Устройство для очистки и сортировки корнеклубнеплодов и фруктов / Н.П. Ларюшин, С. С. Сущев, В. В. Лапин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев. -№ 2011128471 /13; Заявлено 08.07.2011; Опубл. 20.03.2013, бюл № 8. -9 с.

Публикации в сборниках научных трудов и конференций

7. Бочкарев, B.C. Обзор механизированных средств для сортирования картофеля / B.C. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА,

2010. -С. 156- 157.

8. Кухарев, О.Н. Физико-механические свойства картофеля /О.Н. Кухарев, С.Н. Федянин, B.C. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - С. 145 - 146.

9. Бочкарев, B.C. Барабанная сортировка картофеля для MTX / B.C. Бочкарев // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Том 1,- Пенза: РИО ПГСХА, 2011. — С.279-281.

10. Бочкарев, B.C. Лабораторные исследования сортировки картофеля барабанного типа / B.C. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» - Том II. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 117 - 118.

11. Ларюшин, Н.П. Результаты лабораторных исследований барабанной картофелесортировки / Н.П. Ларюшин, О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК: материалы Междунар. науч. практ. конф.- Саранск: «ПРОдвижение»,

2011,- С. 11-15.

12. Кухарев О.Н. Лабораторные исследования устройства для сортирования картофеля барабанного типа / О.Н. Кухарев, B.C. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. 30-31 октября2012.-Пенза: РИО ПГСХА, 2012.-С. 142-144.

13. Бочкарев, B.C. Исследования в производственных условиях машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом / B.C. Бочкарев // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: Сборник материалов Всероссийской-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Том 3. Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С. 70- 74.

Подписано в печать 09. 2013 г. Формат 60x80/16. Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100. Заказ № 52 Отпечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551

440000, г. Пенза, ул. Московская, 74.

ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

-Я

04201362563

Бочкарев Владимир Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ РАЗРАБОТКОЙ И ПРИМЕНЕНИЕМ МАШИНЫ С БАРАБАННЫМ

РАБОЧИМ ОРГАНОМ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кухарев О.Н.

Пенза-2013 г

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МЕХАНИЗАЦИИ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ......................................................... 11

1.1 Агротехнические требования процесса сортировки клубней картофеля................................................................................ 11

1.2 Анализ средств механизации для сортировки клубней

картофеля.................................................................................. 12

1.2.1 Плоско-решетные сортировальные машины.............................. 18

1.2.2 Транспортерные сортировальные машины................................. 21

1.2.3 Ролико-валиковые сортировальные машины........................... 23

1.2.4 Комбинированные сортирующие рабочие органы........................ 26

1.2.5 Картофелесортировальные машины барабанного типа.................. 27

1.3 Исследование физико-механических свойств клубней картофеля... 36

1.3.1 Характеристика изучаемых сортов........................................... 37

1.3.2 Методика и результаты проведенных исследований...................... 39

1.3.3 Исследование линейных размеров клубней картофеля.................... 40

Выводы по разделу..................................................................... 45

Цель и задачи исследований.............................................................. 46

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРВОКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ.................................... 47

2.1 Цель теоретических исследований машины с барабанным

рабочим органом для сортировки клубней картофеля ..................... 47

2.2 Исследование движения частицы в машине для сортировки клубней картофеля по цилиндрической поверхности барабанного рабочего органа с наклонной осью вращения............... 50

2.3 Исследование движения частицы в цилиндрическом барабанном рабочем органе машины для сортировки клубней картофеля без

отрыва её от поверхности........................................................... 53

2.4 Исследование движения частицы в цилиндрическом барабанном

?!

рабочем органе машины для сортировки клубней картофеля с отрывом её от поверхности....................................................... 57

2.5 Исследование колебаний барабанного рабочего органа машины

для сортировки клубней картофеля в вертикальной плоскости........... 60

2.6 Определение частоты вращения барабанного рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля из условия прохода

клубня через прутковую поверхность барабана.............................. 68

Выводы по разделу................................................................... 70

3 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ.............................................................. 71

3.1 Программа лабораторных исследований................................... 71

3.2 Методика проведения лабораторных исследований и обработки результатов машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом................................................. 72

3.2.1 Описание лабораторной установки....................................... 73

3.2.2 Методика проведения лабораторных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом.............................................. 76

3.2.3 Результаты лабораторных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров машины для сортировки клубней с барабанным рабочим органом........................................................................... 88

3.3 Методика и результаты лабораторных исследований по

определению оптимальной частоты вращения барабанного

рабочего органа машины для сортировки клубней картофеля........ 93

Выводы по разделу.................................................................... 94

4 ИССЛЕДОВАНИЕ МАШИНЫ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ДЛЯ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВА.................................................... 95

1 ч

Ж

4.1 Цель и задачи производственных исследований машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля............................................................................... 95

4.2 Исследования машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля в условиях производства................. 96

4.2.1 Условия проведения исследований в условиях производства.......... 96

4.2.2 Исследования по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля............................. 99

4.3 Исследование по определению производительности машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом....... 101

Выводы по разделу.......................................................................... 102

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ МАШИНЫ ДЛЯ СОРТИРОВКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ С БАРАБАННЫМ РАБОЧИМОРГАНОМ.............................................................. 104

5.1 Расчет балансовой стоимости экспериментальной машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом........ 104

5.2 Расчет прямых эксплуатационных затрат...................................... 108

5.3 Расчет годового экономического эффекта.................................... 112

5.4 Расчет срока окупаемости........................................................ 113

Общие выводы............................................................................... 115

Список литературы.......................................................................... 117

Приложения............................................................................. 127

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Картофель является одним из важнейших продуктов рациона людей всего мира. Его производят в 145 странах с использованием различных технологий. В России картофель стал «вторым хлебом», при этом картофель является продуктом питания в свежем или переработанном виде, также идёт и на корм скоту. Картофель используется в трех направлениях: столовое (использования картофеля для питания, а также изготовления из него продуктов переработки), техническое (использование картофеля с содержанием крахмала более 18 % в производстве), кормовое (производство картофеля с повышенным содержанием протеина).

Общая площадь посадки картофеля по России в последние годы установилась на уровне 3 млн. га. Урожайность колеблется в пределах 11,5...22,5 т/га.). В настоящее время более 95 % картофеля в нашей стране производится в личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйствах с посадочными площадями менее 2 га. При этом уровень механизации работ в этих хозяйствах низкий, а затраты труда при выращивании картофеля высокие. Но при всем этом, мало повысить валовый сбор картофеля, необходимо его сохранить, так как правильная переработка и хранение посадочного материала - основа будущего урожая.

Технологический процесс производства картофеля состоит из нескольких операций, одной из которых является сортирование клубней картофеля на три фракции.

Процесс сортировки клубней картофеля является одним из важнейших в его производстве. От качества фракционного состава семенного материала зависит урожай картофеля и качественные показатели его хранения, а также правильное разделение картофельной массы на фракции, которое дает оптимальный уровень использования картофеля в производстве.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что создание малогабаритной машины для сортировки клубней картофеля внесет вклад в решение проблемы сортировки клубней картофеля на фракции в мелкотоварных хозяйствах.

Поэтому работа, посвященная повышению качественных показателей сортировки клубней картофеля разработкой и применением машины с барабанным рабочим органом, является актуальной и практически значимой для сельскохозяйственного производства.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время разработаны машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом различных конструкций и типов. Решением проблемы сортировки клубней картофеля занимались следующие ученые: Е.А. Беляев, М.А. Бышов, А.И. Воль-ников, В.П. Горячкин, В.А. Грозубинский, Е.А. Глухих, Ю.М. Иванов, М.И. Кан, Д.Е. Кистанов, Е.И. Кистанов, Ю.И. Кириенко, H.H. Колчин, A.B. Козлов, В.А. Макаров, Л.И. Манпиль, Д.Н. Мишин, В.М. Мосин, А.И. Новожилов, М.Я. Осипов, Г.Д. Петров, Н.М. Постников, Ю.С. Папаниколау, Я.А. Рабаунис, В.В. Ряб-кова, О.В. Саяпин, A.A. Сорокин, Ю.Я. Сычев, В.П. Трусов, Н.В. Татьянко, Н.В. Шабуров, A.A. Шаблыкин, С.М. Щенников, B.C. Юрасов, Yasuaki Yamane, Koichi Miyake, Hideo Funahashi, Masao Murakami, P.E. Malcolm и другие ученые. Машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом различаются как по конструкции основного рабочего органа, так и по конструкции рабочей сепарирующей поверхности. Имеются машины, барабанный рабочий орган которых расположен горизонтально и под углом к горизонту. Так же известны машины, в которых один барабанный орган установлен внутри другого (параллельная сортировка). Поверхности основного рабочего органа машин для сортировки клубней картофеля исполняются в виде: продольных щелей, круглых просветов, квадратных просветов, шестиугольных просветов, спиральной навивки внутри рабочего органа и эластичной поверхности. Наибольшее распространение получили машины с квадратными просветами и продольными щелями.

Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на 2010-2013 гг., тема № 11 «Разработка рабочих органов машин для ресурсосберегающих технологий производства сельскохозяйственных культур» и отраслевой целевой программы «Развитие овощеводства и картофелеводства в Пензенской области на 2010 - 2012 годы».

Цель работы - повышение качества сортировки клубней картофеля разработкой и применением машины с барабанным рабочим органом, обеспечивающей оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля.

Задачи исследования:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, с учетом физико-механических свойств клубней картофеля новых районированных сортов.

2. Теоретически обосновать конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом.

3. Разработать и изготовить опытно-конструкторский образец машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля и выполнить экспериментальные исследования по определению её оптимальных конструктивно-режимных параметров.

4. Провести исследования в условиях производства машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля и определить технико-экономическую эффективность применения результатов исследований в производстве.

Объект исследования. Технологический процесс сортировки клубней картофеля машиной с барабанным рабочим органом.

Предмет исследования. Конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля.

Научная новизна:

- теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом, обеспечивающее повышение качества сортировки клубней картофеля;

- конструктивная схема и конструкция машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля;

- оптимальные конструктивные и режимные параметры машины для сортировки клубней картофеля с барабанным рабочим органом;

- показатели (точность сортировки клубней картофеля в %, количество травмированных клубней картофеля в %), оценивающие качество сортировки клубней картофеля при применении машины с барабанным рабочим органом.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2477598.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты научных исследований послужили основой для разработки машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля. Использование машины с барабанным рабочим органом позволяет повысить оценочные показатели качества сортировки клубней картофеля (точность сортировки клубней картофеля до 95 %, обеспечить количество поврежденных клубней не более 1,7 %). Машина с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля внедрена в ИП К(Ф)Х Федоров В.В. и ИП К(Ф)Х Степашкин Александр Федорович, а также принята ООО «КЗТМ» г. Кузнецка Пензенской области к серийному производству. Министерством Пензенской области машина с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля рекомендована для серийного производства на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения Пензенской области.

Методология и методы исследования. Исследования проводились общенаучными методами - теоретическим и экспериментальным. Теоретически исследования проводились методом формализации, с использованием известных положений теории машин с барабанным рабочим органом и теории грохота. Экспериментальный метод исследования строился на методах сравнения и моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и лабора-торно-полевых условиях на основе общепринятых методик в соответствии с действующим отраслевым стандартом СТО АИСТ 8.5-2010, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента.

Основные научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

1. Технологическая схема и конструкция машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля.

2. Теоретическое описание процесса сортировки клубней картофеля маши-

ной с барабанным рабочим органом.

3. Результаты экспериментальных исследований машины для сортировки клубней картофеля, подтверждающие основные конструктивные и режимные параметры (частота колебаний барабанного рабочего органа, высота сегментных упоров обечайки барабанного рабочего органа, угол наклона барабанного рабочего органа относительно горизонта, частота вращения барабанного рабочего органа).

4. Результаты исследований машины для сортировки клубней картофеля в производственных условиях по определению оптимального значения частоты вращения барабанного рабочего органа машины, угла наклона барабанного рабочего органа машины, производительности машины для сортировки клубней картофеля, а также экономическая оценка эффективности применения машины с барабанным рабочим органом для сортировки клубней картофеля.

Степень достоверности и апробация результатов. Обеспечена сходимость теоретических и экспериментальных данных, равная 97 %, подтвержденная теоретическими исследованиями, практической реализацией разработки в лабораторных и производственных условиях.

Основные результаты исследований представлялись в качестве инновационного проекта на научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Пенза 2011 г.), в результате которого получено право на заключение государственного контракта на выполнение НИОКР по теме: «Комплекс машин для производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах».

Основные результаты исследований диссертации доложены и одобрены на:

- научно-практической конференции ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2010-2013 гг.);

- всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2010 г.);

- всероссийской научно-практической конференции «Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011 г.);

- международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева» и 50-летию кафедры сельскохозяйственных машин «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева» (Саранск, 2011 г.);

- во втором туре Всероссийского конкурса научных работ студентов высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального органа в ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» (2011 г.);

- международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (2011) г;

- всероссийской научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012 г.).

- всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.).

По теме диссертации опубликовано 13 статей (две без соавторов), в т.ч. 5 статей в изданиях, указанных в «Перечне ... ВАК», 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций - 1,75 л., из которых 0,65 л. Принадлежит соискателю.

Диссертация состоит из введения, разделов, общих выводов, списка литературы и приложения.

Автор считает своим долгом в�