автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка дискового шлифовального устройства для предпосевной подготовки семян сахарной свеклы

На правах рукописи

СТАРОСТИН ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ДИСКОВОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ СЕМЯН САХАРНОЙ СВЕКЛЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯКЗ 2015

005557719

Пенза-2015

005557719

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

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кухарев Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

Нуруллин Эльмас Габбасович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Машины и оборудование в агробизнесе»

Балашов Александр Владимирович

кандидат технических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве», исполняющий обязанности заведующего лабораторией «Использование машинно-тракторных агрегатов»

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехноло-гический университет имени ILA. Костычева»

Защита состоится 20 февраля 2015 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул Ботаническая 30, ауд.1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и на'сайте http://pgsha.penza.net/.

Автореферат разослан «24» декабря 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сахарная свекла - одна из важнейших технических культур. В настоящее время из сахарной свеклы получают более 30% мирового производства сахара. В Российской Федерации она является единственным источником получения сахара. Важными задачами современного свеклосахарного производства является получение высоких урожаев сахарной свеклы и снижение производственных затрат. Получение максимального урожая возможно при равномерном размещении 75 - 85 тысяч растений на 1 га. Для получения такой густоты стояния растений необходимо проводить посев сеялками точного высева дражирозанными семенами при норме высева 1,2 - 1,3 посевных единицы на гектар.

Дражирование семян - приём предпосевной подготовки нанесения на семена искусственной защитной питательной оболочки, которая выравнивает их поверхность, что дает возможность проведения последующего точного высева. Семена, предназначенные для дражирования, по посевным качествам должны отвечать ГОСТ Р 54044-2010 "Семена сахарной свеклы. Посевные качества. Общие технические условия". Одним из важных требований стандарта является обязательное шлифование семян.

Шлифование — операция механического удаления верхнего слоя околоплодника с целью выравнивания семян по размерам, придания им округлой формы, увеличения сыпучести и снижения объемной массы семян.

Существующие технические средства для шлифования не позволяют получить выравненные по размерам семена шарообразной формы и сильно травмируют зародыш при обработке, что приводит к снижению всхожести шлифованных семян.

Поэтому работа, посвященная повышению качества предпосевной обработки семян, применением в технологической линии дражирования семян сахарной свеклы дискового шлифовального устройства, является актуальной и практически значимой дои сельскохозяйственного производства.

Степень разработанности темы. В настоящее время разработаны устройства для шлифования семян сахарной свеклы различных типов конструкций: роторные, барабанные, пшековые, вибрационные, транспортерные и дисковые. Практическое применение из этих машин нашли только конструкции некоторых роторных и дисковых шлифовальных устройств, выпускающиеся серийно. Но и эти машины не позволяют произвести качественную обработку семян. Шлифовальные устройства роторного типа хоть и шлифуют семена при минимальном травмировании зародыша, но не позволяют получать выравненные по размерам семена заданной формы.

Существующие конструкции дисковых шлифовальных устройств позволяют получать выравненные по размерам семена, имеют допустимый процент семян с травмированным зародышем, но при этом формы получаемых семян разнообразны: цилиндрическая, бочкообразная, неправильного многоугольника, что снижает технологичность таких семян при последующем дражировании. Для получения овальной формы семян, наиболее близкой к шару, необходимо, чтобы семя при обработке дисковым шлифовальным устройством совершало сложное движение по криволинейной траектории и одновременно вращалось в двух плоскостях, тем самым обрабатывалось по всей поверхности равномерно. Обеспечить такое движение семени возможно сложным движением нижнего диска, реализовать которое позволяет механизм привода нижнего диска в виде планетарного редуктора. В настоящее время устройств обеспечивающих сложное движение семян по криволинейной траектории с одновременным вращением в двух плоскостях не создано. Данный вопрос требует теоретических исследований и конструкторских решений.

Работа проводилась по планам НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (тема №11 «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства про-

дукции растениеводства и животноводства») и проекта на научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (тема «Разработка инновационных технических средств для дражи-рования семян сахарной свеклы» договор № 7/16893 от 13.08.2012 г.).

Цель исследования. Разработка дискового шлифовального устройства, позволяющего повысить качество предпосевной подготовки семян сахарной свеклы.

Задачи исследования:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему дискового шлифовального устройства с учетом физико-механических свойств семян сахарной свеклы современных сортов и гибридов.

2. Провести теоретические исследования траектории движения семян сахарной свеклы в дисковом шлифовальном устройстве с определением производительности, радиуса и частоты вращения нижнего диска.

3. Разработай, и изготовить экспериментальный образец дискового шлифовального устройства и провести исследования по определению его оптимальных конструктивных и режимных параметров в лабораторных условиях.

4. Выполнить исследования дискового шлифовального устройства в производственных условиях и дать технико-экономическую оценку его внедрения в производство.

^ Объект исследования. Процесс шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством.

Предмет исследования. Показатели, характеризующие качество шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством.

Научная новизна:

- теоретическое обоснование траектории движения семян сахарной свеклы в дисковом шлифовальном устройстве с определением производительности, радиуса и частоты вращения нижнего диска;

- конструкция дискового шлифовального устройства;

- оптимальные конструктивные и режимные параметры дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ № 2501202 «Дисковое шлифовальное устройство».

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическую значимость работы составляют полученные аналитические зависимости, позволяющие описать траекторию движения семени, определить радиус и частоту вращения нижнего диска в дисковом шлифовальном устройстве. Использование дискового шлифовального устройства позволяет повысить процент выравненных по размерам семян с неповрежденным зародышем до 98 %, при этом всхожесть обработанных семян повышается на 4 % по сравнению с серийной машиной ШСС -0,5.

Реализация результатов исследований. Дисковое шлифовальное устройство из-000 "Коммаш" (г. Пенза), прошло производственную проверку и внедрено в ЗАО «ФМРус» (г. Москва).

Методология и методы исследований. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы: сравнения, моделирования, наблюдения, эксперимент Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на основе общепринятых методик в соответствии с действующими отраслевыми стандартами, а также разработанных частных методик исследований. Обработка результатов исследований проводилась на ПЭВМ с использованием стандартных компьютерных программ Microsoft Excel и Statistica.

Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Уравнения движения семян сахарной свеклы в дисковом шлифовальном устрой-

4

язе и теоретические зависимости для определения радиуса и частоты вращения нижнего диска, производительности.

2. Конструкция дискового шлифовального устройства.

3. Оптимальные значения конструктивных (зернистость поверхности, радиус и угол конусности нижнего дисха) и режимных (частота вращения нижнего диска, передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом, подача семян в устройство) параметров дискового шлифовального устройства.

4. Числовые значения показателей, характеризующие качество шлифования семян сахарной свеклы в дисковом шлифовальном устройстве.

Степень достоверности и апробация результатов исследований.

Достоверность результатов исследований подтверждается использованием методов математической статистики и теории многофакторного эксперимента, применением современных приборов и средств измерения, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.

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 2012 г.), по результатам которого заключен государственный контракт (договор № 7/16893 от 13.08.2012 г.) на выполнение НИОКР по теме «Разработка инновационных технических средств для дра-жирования семян сахарной свеклы».

Апробация результатов исследования подтверждается участием на:

- всероссийских НПК «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России», проводимых на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011, 2012,2013 гг.);

- всероссийской НПК студентов, аспирантов и молодых ученых, проводимой по программе Всероссийского фестиваля науки и посвященной 150-летию со дня рождения ПА. Столыпина «Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России», проводимой на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2012 г.);

- международной НПК, посвященной 55-летию Института механики и энергетики «Энергоэффекхивные и ресурсосберегающие технологии и системы», Мордовский университет, (2012 г.);

- всероссийской НПК молодых ученых «Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса Россиго>, проводимой на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2013 г.);

- международной НПК «Состояние и перспективы развития АПК», проводимой на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА)) (2013 г.);

- 9 международной НПК «Actual problems of development of the construction complex and enterprises on its basis -2013» Польша, г. Варшава (2013 г.);

- 9 международной НПК «Achievement ofhigfr school» Болгария, г. София (2013 г.);

- международной НПК «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства)), г. Пенза (2014 г.);

- международной НПК «Innovation is the source of development of national economy -2014» Чехия, г.Прага (2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 статей (три без соавторов), в т.ч. 3 в рецензированных изданиях. Общий объём 4,29 пл., из них автору принадлежит 1,9 п.л. Получены два патента РФ на изобретение: №2501202, №2503163.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 155 е., состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 189 наименований и приложений на 19 с, содержит 61 рисунок и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы исследований и общую характеристику работы.

В первом разделе «Состояние вопроса механизации шлифования семян сахарной свеклы» проведен анализ существующих способов предпосевной подготовки семян технологий дражирования семян и технических средств для шлифования семян сахарной свеклы. На основе проведенного анализа научных работ сформулирована проблема Отмечено, что дисковое шлифовальное устройство является наиболее перспективным среди устройств для шлифования семян. В данном разделе представлена классификация шлифовальных устройств различных типов и конструкций.

Вопросом предпосевной подготовки семян занимались многие исследователи-Балашов A.B., Воронин Е.А., Гайсин Н.А, Галиуллин Ш.Р., Джашеев А.-М С Доронин В А., Дронова Г.В., Землянухин А.И., Зубов С.С., Кубеев Е.И., Кухарев О.Н., Ларюпшн Н.П., Лысенко Н.М., Ляшук В.В., Мухин В Д., Назаров СЛ., Наумов Г.Ф., Нуруллин ЭХ Полывянный В Л, Салахов И.М., Семов И.Н., Смелик В.А., Сохроков А.М. Сгоро-л л Ртиавд^фил0в А'ф" ТыРН0В ЮА., Филиппова ГГ., Чирков А.М., Шайманов АА., Ooix I Gnmm Н., Hastings А. и другие. Приемы предпосевной подготовки семян оказывают большое влияние не только на всхожесть и урожайность сельскохозяйственных культур, но и на технологичность возделывания. Анализ наиболее распространенных технологий предпосевной подготовки семян, показывает, что шлифование является необходимой операцией в каждой из них. Установлено, что применение дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы в настоящее время недостаточно изучено На основе анализа литературной и патентной информации в работе поставлены цель и задачи исследований.

_ Во втором разделе «Исследование физико-механических свойств семян сахарной свеклы» изучены физико-механические свойства сортов Рамонская односемянная 47, Льговская односемянная 52 и гибридов РМС 70 и Земис, получены данные (размерно-массовые характеристики, фрикционные свойства и микротвердость поверхности семян), необходимые для разработки и обоснования конструкции дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы.

Исследования физико-механических свойств семян сахарной свеклы сортов Рамонская односемянная 47, Льговская односемянная 52 и гибридов РМС 70 и Земис проводились по методике, разработанной на основе государственных стандартов Изучение размеров, массы, формы семян, их фрикционных свойств, а также микрогвердости поверхности позволяют определить характер взаимодействия семени с поверхностями рабочих органов. Значения размеров семян сахарной свеклы сортов Рамонская односемянная 47 и Льговская односемянная 52 и гибридов РМС70 и Земис изменяются в пределах-длина2,18..,5,15 мм; ширина 1,37...5,05 мм; толщина 1,37...4,15 мм. Абсолютная и объемная массы семян составили у сорта Рамонская односемянная 47 - 20 г, сорта Льговская односемянная 52 - 23 г, гибрида РМС 70 - 15 г и гибрида Земис - 13 г, объемная масса семян составила соответственно 312, 274, 302 и 260 г/л. Коэффициент внутреннего тремя семян сахарной свеклы сорта Рамонская односемянная 47 составил Км=0 52 сорта Льговская односемянная 52 составил Кш=0,51, гибрида РМС 70 - К,я=0,53, гибрвда Земис -K„=0,52. Проведенные исследования коэффициента трения семян показали, что на поверхность дисков устройства следует наносить материал с зернистостью 75 500 мкм Из полученных результатов исследований видно, что гибрид Земис имеет сходные физико-механические свойства, что и другие сорта и гибриды семян сахарной свеклы. Это говорит о целесообразности в дальнейшем проводить определение оптимальных конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства на гибриде сахарной свеклы Земис.

- исхойше сенена | - шлифобанше семена

В третьем разделе «Теоретические исследования процесса шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством» предложена конструктивная схема дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы (Рисунок 1), на основании которой была разработана конструкция, в которой саля будет совершать движение в двух плоскостях. Для реализации такого движения предлагается планетарный механизм привода нижнего диска.

Рисунок 1 - Конструктивная схема дискового шлифовального устройства: 1 — верхний диск, 2 - бункер, 3 - нижний диск, 4 — вертикальный вал, 5 — водило, 6— сателлит, 7 — опорное зубчатое колесо, 8-корпус привода, 9 — электродвигатель, 10 — бункер сбора семян

Дисковое шлифовальное устройство работает следующим образом. Семена, проходящие через отверстие в верхнем диске 1 из бункера для загрузки семян 2, попадают на нижний диск 3 со смещением относительно его центра на расстояние А. Водило 5, приводимое во вращение от электроднигателя 9, вращается и предает оси вертикального вала 4 движение по окружности радиусом А, относительно оси вращения водила 5. Сателлит 6, жестко закрепленный в нижней части вертикального вала 4, обкатываясь по опорному зубчатому колесу 7 с передаточным отношением и, передает вращательное движение на вертикальный вал 4 и нижний даек 3. Семена за счет контакта с вращающимся нижним диском 3 и неподвижным верхним диском 1 входят в рабочий зазорЯ между верхним диском 1 и нижним диском 3 и начинают вращаться в вертикальных плоскостях. В результате того, что центр нижнего диета 3 совершает движение по окружности радиусом А, и нижний диск 3 одновременно вращается вокруг своего центра, семена совершают в горизонтальной плоскости сложное движение от центра к периферии нижнего диска 3. Шлифованные семена, достигнув размера равного рабочему зазору X, сходят с поверхности нижнего диска 3 в бункер сбора семян 10.

Привод нижнего диска представляет собой сателлитный зубчатый механизм (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема привода нижнего диска: 1 - стойка; 2 — сателлит; Н— водило; А — плечо водила; <Цд —угловая скорость вращения водила; —угловая скорость вращения сателлита; и — передаточное отношение механизма

В состав сателлитного зубчатого механизма входят одно неподвижное звено — опорное зубчатое колесо 1, два подвижных звена: водило Н (входит во вращательные пары 0\ с опорным зубчатым колесом 1 и Ог — с сателлитом 2), сателлит 2 (входит в зубчатое зацепление со опорным зубчатым колесом 1). При вращении водила Н с угловой скоростью й)н сателлит 2 обегает опорное зубчатое колесо 1, вращаясь с угловой скоростью <и2. Рассмотрим движение единичного семени сахарной СЕеклы. В связи с тем, что семена сахарной свеклы имеют овальную форму, принимаем их за шар массой т и радиусом г. При исследовании были приняты следующие допущения:

процесс шлифования осуществляется в установившемся режиме, когда нижний диск и водило вращаются с постоянной угловой скоростью без ускорения; семя вращается равномерно во взаимно перпендикулярных плоскостях; центры вращения водила, нижнего диска и семени лежат на одной линии, во время обработки масса семени не меняется.

При работе дискового шлифовального устройства семена через отверстие в верхнем диске 1 (Рисунок 3) попадают на вращающийся нижний диск 2, при контакте с которым, равномерно разлетаются под действием цешробежных сил по нижнему диску 2 от его центра к периферии. Семена свободно движутся по поверхности нижнего диска 2 до момента пока радиус семени г меньше рабочего зазора между дисками а. В момент, когда зазор между дисками становится равным радиусу семени г, начинается процесс шлифования.

В этот момент радиальная скорость семени снижается, оно приостанавливается, вклинивается в рабочий зазор между дисками под действием цешробежных сил и начинает вращаться. Расстояние от центра вращения нижнего диска до радиуса соответствующего момешу начала процесса шлифования называется радиусом начала рабочей зоны /?„ р^.

Для нахождения радиуса начала рабочей зоны рассмотрим движение семени в междисковом пространстве (Рисунок 3).

1

Рисунок 3 — Схема сил, действующих на семя в вертикальной плоскости:

1 - верхний диск; 2 —нижний диск; 3 — семя; 4 — водило; и>2 и шн - угловые скорости вращения нижнего диска и водила; и центробежные силы, действующие на семя со стороны диска и водила; ртрХ и Ртр2~ силы трения, действующие на семя со стороны верхнего и низ/снего дисков; Р — вес семени; N) и N2- силы реакции опоры, действующие на семя Со стороны верхнего и нижнего дисков; г- радиус семени; Я - рабочий зазор между дисками; 8 —угол конусности нижнего диска; к — плечо водила; а — междисковое расстояние в центре вращения низ/снего диска; НД- радиус таснего диска; -радиус начала рабочей зоны Радиус начала рабочей зоны:

Яцр.з. = (1)

где 5 - угол конусности нижнего диска, град; г - радиус семени до обработки, м; а- междисковое расстояние в центре вращения нижнего диска, мм.

а = Дд ■ гд8 + Я, (2)

где Яд - радиус нижнего диска, м; Я - рабочий зазор между дисками, м.

Производительность устройства можно определить через максимальное количество семян, находящихся на окружности с радиусом начала рабочей зоны Ь„.рл..

_ ¿им- _ гл-Дн.рд. __ 2и-(Яд.[дДч-я-г) с г. Г ~ г-гдб

Далее, зная массу одного семени (т, кг), можно определить массу всех семян, одновременно находящихся на радиусе начала рабочей зоны, а зная время (¿, ч), за которое они пересекают окружность с радиусом рабочей зоны, можно определить производительность:

Для определения частоты вращения нижнего диска и водила построим схему сил, действующих на семя в вертикальной плоскости (Рисунок 4) и согласно принципу ДАламбера составим уравнение:

+ РпД — ' — — — 0, (5)

где Ра1 - центробежная сила, действующая на семя со стороны диска, Н.

Рпл = т

(б)

где т—масса семени, кг; 0)2 — угловая скорость вращения нижнего диска, рад/с; —радиус начала рабочей зоны, м; Р^—центробежная сила, действующая на семя со стороны водила, Н.

= + (7)

1де <ин - угловая скорость вращения водила, рад/с; К - плечо водила, м; Р^ 1 и К^.г- силы трения, действующие на семя со стороны нижнего и верхнего дисков, Н:

Ргр.1 -А-т-д,

(8)

Ртрз = А-ш-д,

(9)

где и /2 — коэффициенты трения между семенем и дисками, зависят от материала поверхности дисков; # — ускорение свободного падения, м/с2; Л^ — горизонтальная составляющая действия на семя силы реакции нижнего диска, Н.

— ш-д- со$5, (10)

Рисунок 4 — Схема сил, действующих на семя в горизонтальной плоскости: 1 — верхний диск; 2 — водило; 3 (точка А) — семя; О; — центр вращения нижнего диска; О2 — центр вращения водила; о)х и (Ог — угловые скорости вращения нижнего диска и водила;

и РцЛ ~ центробежные лы;РтрА и Ртра- силы трения; Рк — сила Кориолиса; - горизонтальная составляющая силы реакции опоры, у — угол поворота водила; А — плечо водила; Л; — расстояние от центра вращения нижнего диска до семени; Дг — расстояние от центра вращения водила до семени

тч■

Уравнение (5) примет вид:

. + (Ян.рз. + Л)- Л-т- д ■ со$5 - А-т- д -т- д ■ со$8 = 0. (И)

Сокращая все слагаемые на т, получим:

, + ^п' (Л.р.3. + А) - А • 9 • -А'3-д- созЗ = 0. (12) Слагаемые с угловыми скоростями оставляем в левой части уравнения, остальные переносим в правую часть:

<4 • Дн.р.3. + «я-(Я.Ч13. + Л) = А-д-со55+/2-д + д-соз5. (13)

Угловая скорость вращения нижнего диска: üj2 — и- а>н. (14) Подставляем полученное выражение в формулу (13):

(«я • и)2 • «н.рз. + Oíf, ■ (йн,РА + h) = ■ д • cosS + /2 ■ д + д ■ cosS, (15) Выражаем угловую скорость вращения водила:

,, _ le-Oi-cosS+Cn+tícosS)

Шн~л1 • (16) Построим схемы сил, действующих на семя в горизонтальной плоскости (Рисунок 4), разложим их по осям хкук согласно принципу Д"Аламбера составим уравнения:

рч-2 • cosp - (f^ + Fmp2) ■ cosp - FK ■ cosy + Nx • cosfi = 0; (17)

у: рцл - (Fmp.1 + ¿Vz) - F* ■ siny - Nx ■ sínp(Fmp¿ + Fmp,2) ■ sinp - F^ • sin(3 = 0, (18)

Подставляем формулы (6) - (10) в уравнения (17) и (18) и сокращая все слагаемые на массу семени т получаем:

' C0SP ~3'(А' cosS + /2) • cos^-2-úil-U-Rx- cosy + g ■ cosS ■ cos/3 = 0,(15) ОчД-д- (fiCosS +f2)-2-o¡l-U-R1- siny - g • cosS ■ sin/1 +

+(fi ■ g ■ cosS + f2-g)- sinfl - dyu • sinp = 0. (20) Из треугольника 0,02A (Рисунок 4) по теореме косинусов угол а между центробежной силой F4l и осью у определяется: а = arccosh'"slp, (21) где <р - угол поворота водила, град.

Угол р будет определяться: /? = 180 - а = 180 - arccos^?-. (22)

Применяя тригонометрические преобразования находим cosfi и sinp-.

cosp = cos(180 - а) = cos (l80 - arccos= (23)

sinp = sm(180 - cr) = sin (l80 - arccos —£.) = (24)

Угол у между силой Кориолиса и осью у: у = а — 90. (25)

Применяя тригонометрические преобразования находим siny и cosy:

sin у = ím(cr - 90) = cosa = cos (arccos^A = (26)

N flj J i?2 * '

cos y = cos(a -90) = sina = sin (arccos = (27)

Подставив значения углов в уравнения (19) и (20), получим- *

^■(-^гЭ-'-СA-coss^i-^y

ачЯ~9' (fiCosS +/2) - 2 • a,? • ü ■ Rt •^^-g ■ cosS ■ -

■ • ^ + • Jffff - - ^ • ^T - - 0. (29)

Уравнение (28) поделим на (- —а уравнение (29) на - и

¡ыражаем получим и а^2: 2

*4¿=9-(fí-cos8+f2)-2-a>l-U-R1-J*™*'*2 ~ g ■ cosS, (30)

<^ = 2 -col-U-Ri- JJ'l"^ + g ■ cosS + a,.2. (3l)

В дифференциальной форме:

= ^ " «« + ~ 9 • со*5, (32)

(£)„,=пиша - * ■ * ■ Щк+* • +^

Интегрируя (32) и (33), подучим уравнения, позволяющие найти координаты семени в любой момент времени. х = д- ^созб + /2)-

-2 -U- ^¿VOVfc + l)-№i-D - • arct5 y^Jj ■ cos<p - д • cosS, (34) y = g-cosG + 2-U-g-(f1cos5 + fz)-

• + - ^' cn-rt^ (J^))" (35)

Заменим в этих уравнениях выражение ■ h + 1) ■ (Д2 — 1) — ^

arctg

. .вар. Получим уравнения типа:

х — р- coscp, (36) У = Р ' sirup. (37)

р = ■ Л +1) • №i — 1)arctg (J^)). (38)

Анализируя уравнения(36) и (37), можно сказать, что траектория движения семени будет описываться уравнением гиперболической спирали.

Длина дуги I асимптотической спирали от центра до края нижнего диска:

г = + (39)

В нашем случае расстояние р будет отражать минимальный радиус диска, при котором семя обрабатывается до необходимого размера. Исходя из этого, необходимо определить путь проходимый семенем до полной его обработки.

Определим количество оборотов семени, необходимое для его обработки до требуемого размера. При движении семени за один оборот будет сниматься слой шириной b и глубиной t (Рисунок 5).

Рисунок 5 — Схема обработки семени в дисковом шлифовальном устройстве:! - верхний диск; 2 —,нижний диск; 3 - семя; Гд и г^— радиусы семени соответственно до обработки и после полной обработки устройством; t-i и t2 — глубина обработки семени соответственно верхним и

нижним дисками, зависит от размера зерна абразивной поверхности; ш2 — угловая скорость вращения нижнего диска; й}С1 и <аСг - угловые скорости вращения семени вокруг проходящих через его центр вертикальной и горизонтальной осей; Ус — скорость движения семени от центра к периферии нижнего диска

Ширина снимаемого слоя: Ь = 2 • I = -Jr2 — (г —í)2. (40)

где /■ - радиус семени, м.

Глубина обработки í будет равна высоте микронеровностей на поверхности диска зива).

Площадь снимаемого за один оборот материала составит: = 2 ■ 7Г ■ г • Ь. (41) Площадь всей поверхности семени, приняв его форму соответствующую сфере:

% = 4-тг-г2. (42)

Количество оборотов семени, необходимых для обработки всей его поверхности на величину Л п^ (43)

Количество оборотов семени, необходимое для обработки всей его поверхности-

(44)

где % и га - радиусы семян до обработки и после полной обработки устройством, м; tj и t2 - глубина обработки семени соответственно верхним и нижним дисками, зависит от размера зерна абразивной поверхности, м.

Окончательное количество оборотов семени, необходимое для его равномерной обработки до установленного размера радиусом г2:

п п'Ф-'п( %.(t1+t2) ■ (45)

Путь, который необходимо пройти семенем для его полной обработки:

í = «-W-=7l,7r"d<p. (46)

где '„«р.- длина дуги окружности семени, м; - средний диаметр семени, м. Приравниваем левые части формул (46) и (39), получаем:

= + (47)

Выражаем радиус диска р:

. Sgfi.irci-Tcz)

р = -- р» __(48)

J 1 '"(p+Vi+p'j Hn(p+Vi+p2J

По полученным формулам(4), (1 б) и (48) были проведены расчеты, которыепоказы-вают, чторадиус диска должен составлять не менее 173 мм, минимальная частота вращения нижнего диска 151 мин"1, а теоретическая производительность составит 54 кг/ч.

В четвертом разделе «Программа, методика и результаты лабораторных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства» изложена программа, методика и результаты лабораторных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы (зернистость поверхности нижнего диска, частота вращения и радиус нижнего диска, подача семян в устройство, передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом, угол конусности нижнего диска), приведено описание экспериментальной установки.

Программа исследований включала: лабораторные исследования экспериментального образца дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы с определением оптимальных конструктивных и режимных параметров.

Методика экспериментальных исследований. Для проведения лабораторных исследований в ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» была разработана установка, которую изготовили на заводе ООО «КОММАШ» (Рисунок б). Лабораторные исследования проводились согласно СТО АИСТ 10.4-2010. За критерий оптимизации процесса шлифования принимали процент качественных семян (Р, %), который зависит от множества факторов.

Рисунок 6 — Общий вид экспериментального дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы:

1 — загрузочная воронка;

2 - верхний диск; 3 - корпус устройства;4 — панель управления; 5 — бункер; 6 — опоры; 7 - нижний диск; 8 - крышка корпуса механизма привода; 9 - корпус привода; 10 - вертикальный вал; 11 - сателлит;

12 — опорное зубчатое колесо;

13 - водило; 14 - зубчатая передача

Для определения оптимальной зернистости поверхности и диапазона частоты вращения нижнего диска проводился однофакторный эксперимент, на основе которого построили график зависимостей величины показателя процента качественных семян (Р, %) от значения величины зернистости поверхности нижнего диска (Лая, мкм) при различных частотах вращения (Рисунок 7).

Рисунок 7 — Графики зависимостей процента качественных семян Р от зернистости поверхности Яан и частот вращения ниэ/снего диска п

Анализ полученных данных показываем что оптимальное значение зернистости поверхности нижнего диска находится в интервале 212...250 мкм (шлифовальная шкурка Р70 ГОСТ Р 52381-2005), которая позволяет получить более 96% качественных, семян при частоте вращения нижнего диска - зернистость повсртнисти нижнего диска, мкм 150...250 МИН"'. ПрИ боЛЫПИХ ЗНаЧеНИ-

ях увеличивается количество поврежденных и раздробленных семян.

Для определения факторов, оказывающих значительное влияние на процент качественных семян, провели отсеивающий эксперимент, по результатам которого были выделены три фактора: п - частота вращения нижнего диска, мин"', - радиус нижнего диска, м; 2 - подача семян в устройство, кг/мин.

13 12 1:1 2:1 3:1 5 -угол конусности нижнего диска, град

к - пергшточное отношение хежду елтеядктом н опорным хппесом

Рисунок 9 — Графики зависимости процента качественных семян Р от передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом и и угла конусности нижнего диска В

После обработки результатов многофакторного эксперимента на ПЭВМ получили адекватную математическую модель второго порядка, описывающую зависимость Р=/(п, К.вО) в раскодированном виде:

У= 2,5536+0,1155'и+96,3515'Лд+0,5925-¡Э- 0,0017'л2-^8,6805^я2-0,0017-е2+0,1243-п'Дя1-0,0009-и-е-0,1565^я'б (49) Для изучения поверхности отклика строили двухмерные сечения (Рисунок 8).

Рисунок 8 —Двухмерные сечения зависимости процента качественных семян Р от частоты вращения нижнего диска п, радиуса нижнего диска Ли и подачи семян в устройство ¡2 Анализ графических изображений двумерных сечений, показывает, что наивысшего значения качества шлифования семян Р=96% от общего количества семян возможно достигнуть при частоте вращения нижнего диска и=188...211 мин"', радиусе нижнего диска 2?я=160...175 мм и подаче семян в устройство 2=0,79...0,9 кг/мин.

г - частоте вр иинин нижнего диска, ыяй1

Для определения оптимального передаточного ошошения между сателлитом и опорным колесом и иоптимального угла конусности нижнего диска 6 проводили одно-факторные эксперименты (Рисунок 9). Из анализа данных графиков следует, что оптимальное значениепередаточного отношения между сателлитом и опорным колесом 1:1, а оптимальное значением угла конусности нижнего диска равно 3 градусам, при которых возможно пояучитьдо 98% качественных семян.

В пятом разделе «Исследование в производственных условиях дискового шлифовального устройства и его технико-экономическая оценка» обоснованы возможности применения дискового шлифовального устройства в технологической линии дражи-рования семян сахарной свеклы, а также уточнены оптимальные значения его конструктивных и режимных параметров в производственных условиях.

Исследования проводились согласно отраслевому стандарту СТО АИСТ 10.4-2010 на заводе по производству цражированных семян ЗАО «ФМРус», г. Москва в 2014 году. В качестве материала исшшьзовались семена сахарной свеклы гибрида Земис.

Уточнение оптимальных конструктивных и режимных параметровпроизводили путем изменения основных параметров дискового шлифовального устройства и определения процента качественных семян. При определении оптимального значения частоты вращения нижнего диска остальные факторы оставались постоянными, равными значениям, полученным при проведении лабораторных исследований. Аналогично поступали при нахождении оптимального значения радиуса нижнего диска.

На Рисунке 10 представлена зависимость процента качественных семян (Р, %) от частоты вращения (в, мин"1) и радиуса (Ин, мм) нижнего диска. Анализ полученных зависимостей позволяет сказать, что оптимальное значение частоты вращения нижнего диска находится в интервале 195...203 мин"1, а оптимальное значение радиуса нижнего диска — 175 мм, при котором можно получить до 97,5 % качественных семян.

Рисунок 10 — Зависимости процента качественных семян Р от частоты вращения п и радиуса нгииснего диска RH Для рекомендаций производству провели исследования по определению производительности экспериментального дискового шлифовального устройства при различных его режимах работы: 1 режим: при частоте вращения нижнего диска 185 мин"1, 2 режим: при частоте вращения нижнего диска 200 мин"1, 3 режим: при частоте вращения нижнего диска 215 мин"1. Передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом изменялось ступенчато 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 и 1,2.

По полученным данным построили графики производительности устройства на различных режимах (Рисунок 11). Рисунок 11 — Зависимость производительности экспериментального дискового шлифовального устройства от передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом для разных режимов работы

Анализ графиков позволяет сделать вывод о том, что на втором режиме работы при частоте вращения нижнего диска 200 мин"1 и передаточном отношении между сателлитом и опорным колесом равным 1 можно достичь максимальной производительности — 52 кг качественных семян в час.

Согласно СТО АИСТ 10.4-2010 при эксплуатационно-технологической оценке необходимо определить всхожесть семян после процесса шлифования. Всхожесть определяли по ГОСТ 22617.2-94. Исследования проводились на сортах Рамонская односемянная 47, Льговская односемянная 52 и гибридах РМС 70 и Земис семян сахарной свеклы. По результатам исследований были построены сравнительные гистограммы распределения всхожести семян сахарной свеклы после шлифования серийной машиной ШСС-0,5 и экспериментальным дисковым шлифовальным устройством (Рисунок 12).

Анализ данных гистограмм показывает, что применение дискового шлифовального устройства при предпосевной подготовке семян сахарной свеклы позволяет повысить всхожесть на 4%, по сравнению с существующими устройствами.

100

Рамонская односемянная Льговская односемянная РМС 70 Земис

47 52

■ Семена шлифованные серийной машиной ШСС-0,5

■ Семена шлифованные экспериментальным дисковым шлифовальным устройством

Рисунок 12 - Всхожесть семян сахарной свекльтосле шлифования серийной машиной ШСС-0,5 и экспериментальным дисковым шлифовальным устройством

Проведенные расчеты технико-экономической оценки показывают, что стоимость изготовления экспериментального дискового шлифовального устройства составляет 53023 руб., а годовая экономия средств - 102355 руб. Срок окупаемости устройства 0,52 года. Экономия эксплуатационных затрат на 1 т получаемой продукции составит 6570 руб., при этом производительность труда повысится на 0,002 т/чел.-ч. Все это говорит об экономической целесообразности применения дискового шлифовального устройства.

U передаточное отвошенив между сателлитом н опорным:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ устройств для шлифования семян сахарной свеклы показал, что для получения овальной формы семени при обработке необходимо, чтобы оно совершало сложное движение по криволинейной траектории и одновременно .вращалось в двух плоскостях, тем самым обрабатывалось по всей поверхности равномерно. В результате обработки и анализа экспериментальных данных по исследованию физико-механических свойств семян сахарной свеклы сортов Рамонская односемянная 47, Льговкая односемянная 52 и гибридов РМС 70 и Земис установлено, что значения размеров семян изменяются в пределах: 2,18...5,15 мм; ширина 1,37...5,05 мм; толщина 1,37...4,15 мм, абсолютная масса семян сахарной свеклы составила соответственно 20 г, 23 г, 15 г и 13 г. Коэффициент внутреннего трения исследуемых семян сахарной свеклы изменяется в пределах 0,51...0,53. Предложена конструктивно-технологическая схема дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы.

2. Теоретическими исследованиями установлено, что форма траектории движения семени по нижнему диску в процессе шлифования представляет собой гиперболическую спираль. Получены уравнения по определению координат центра масс семени в любой момент времени во время работы дискового шлифовального устройства. Выведены теоретические зависимости по определению производительности (У — 54 кг/ч, минимального радиуса йд=0,173 м и частоты вращения нижнего диска п = 151 мин"1, при которых обеспечивается качественная обработка семян сахарной свеклы.

3. Исследования разработанного и изготовленного экспериментального дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы в лабораторных условиях позволили определить оптимальное значение зернистости поверхности нижнего диска 212...250 мкм, что соответствует шлифовальной шкурке марки Р70 ГОСТ Р 52381-2005. Полученное при исследованиях уравнение регрессии второго порядка позволяет определить оптимальные значения конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы: частота вращения нижнего диска п = 188...211 мин'1; радиус нижнего диска Рм = 160...175 мм и подача семян в устройство Q - 0,79...0,90 кг/мин, при которых возможно получить 97—98 % качественных семян. Исследованиями установлено, что оптимальное значение передаточного отношения мевду сателлитом и опорным колесом и = 1, а угла конусности нижнего диска £— 3 градуса.

4. При испытаниях в производственных условиях определены оптимальные значения частоты вращения п = 195...203 мин"1 и радиуса Ян = 175 мм нижнего диска. Установлено, что максимальной производительности 52 кг/час качественных семян возможно достичь при частоте вращения нижнего диска п = 200 мин'1, передаточном отношении между сателлитом и опорным колесом и = I. Предпосевная обработка экспериментальным дисковым шлифовальным устройством позволяет увеличить всхожесть семян сахарной свеклы сортов Рамонская односемянная 47, Льговская односемянная 52 и гибридов РМС 70 и Земис на 4% по сравнению с серийной машиной ШСС-0,5 и достичь 98%. Проведенная технико-экономическая оценка показывает, что годовая экономия от внедрения дискового шлифовального устройства при нормативной годовой загрузке 400 ч составила 102355 рублей, а срок окупаемости 0,52 года.

Основные положения опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях

1. Физико-механические свойства современных сортов и гибридов сахарной свеклы [Текст] / О Л. Кухарев, Г.Е. Гришин, ИЛ. Семов, И.А. Старостин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. — 2013. — №2(28). — С.77-80.

2. Кухарев, О.Н. Устройство для шлифования семян [Текст] / О.Н. Кухарев, И.Н. Семов, ИЛ. Старостин // Механизация и электрификация сельского хозяйства, - 2014 -№2.-С. 8-10.

3.Лабораторные исследования дискового шлифовального устройства [Текст] / О.Н. Кухарев, Г.Е. Гришин, И.Н. Семов, ИА. Старостин //Нива Поволжья. -2014. -№3(321 -С. 67-72.

Патенты РФ на изобретение

4. Пат. 2501202 Российская Федерация, МПК А 01 С 1/00. Дисковое шлифовальное устройство [Текст] / Кухарев О.Н., Семов И.Н., Старостин ИА.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА. - №2012119235; заявл. 10 05 2012-опубл. 20.12.2013, Бюл. №35.-9с.: ил.

5. Пат. 2503163 Российская Федерация, МПК А 01 С 1/00. Устройство для шлифования семян [Текст] / Кухарев ОД., Семов ИЛ, Старостин И.А; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА. - №2012128419;заявл. 05.07 2012-опубл. 10.01.2014, Бюл. №1. - 13с.: ил.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

6. Кухарев, О.Н. Технология предпосевной подготовки семян сахарной свеклы [Текст] / О Л. Кухарев, И.Н. Семов, И. А. Старостин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-праютческой конференции. - Пенза: РИО ПГСХА - 2011.-С. 138-139.

7. Кухарев, О Л. Обоснование технологии предпосевной обработки семян [Текст] / ОД Кухарев, ИД. Семов, ИА Старостин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Института механики и энергетики. - Саранск: ИМУ, 2012. - С. 95-99.

8. Старостин, ИА. Анализ типов рабочих органов дисковых шлифовальных устройств [Текст] / Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза- РИО ПГСХА, 2012,-С. 166-168.

9. Старостин, ИА Обоснование конструкции шлифовального устройства семян сахарной свеклы [Текст] / Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. -Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 75-77.

10. Старостин, И А. Разработка инновационных технических средств для дражирования семян сахарной свеклы [Текст] / Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза- РИО ПГСХА, 2012. - С. 77-79.

11. Кухарев, О Л. Дисковое шлифовальное устройство семян сахарной свеклы [Текст] / ОЛ. Кухарев, И.Н. Семов, ИА Старостин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. -Пенза: РИО ПГСХА. -2013. - С. 186-188.

12. Исследование микротвердосш поверхности семян сахарной свеклы [Текст] / ОЛ. Кухарев, ИЛ. Семов, ИА. Старостин [и др.] II Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - Пенза- РИО ПГСХА,2013.-С. 54-56.

13. Кухарев, ОЛ. Предпосевная обработка семян [Текст] / ОЛ. Кухарев, ИД. Семов, И.А. Старостин // Состояние и перспективы развития АПК: сборник статей Международной научно-практической конференции.-Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С.92-95.

14. Кухарев, О.Н. Результаты теоретических исследований устройства для

шлифования [Текст] / О.Н. Кухарев, И.Н. Семов, ИЛ. Старостин // Материалы 9 Международной научно-практической конференции «Actual problems of development of the construction complex and enterprises on its basis- 2013». - Польша, г. Варшава: Nauka I stadia, 2013.-С. 57-60.

15. Кухарев, O.H. Экспериментальный образец дискового шлифовального устройства [Текст] / О.Н. Кухарев, И.Н. Семов, И.А. Старостин // Материалы 9 Международной научно-практической конференции «Achievement of high school - 2.013». -Болгария, г. София: Бял ГРАД-БГ, 2013.-С. 8-10.

16. Семов, И.Н. Исследование фрикционных свойств семян сахарной свеклы [Текст] / И.Н. Семов, И.А. Старостин, А.Ю. Щученков // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых — Пенза: РИО ПГСХА, 2013.-С. 98-100.

17. Старостин, И.А. Устройство для предпосевной подготовки семян [Текст] / И.А. Старостин, О.Н. Кухарев, И.Н. Семов // Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства: сборник статей Международной научно-практической конференции. — Пенза: РИО ПГСХА, 2014. -С. 183-185.

18. Кухарев, О.Н. Устройство для шлифования тел неправильной формы [Текст]/ О.Н. Кухарев, И.Н. Семов, НА. Старостин //Innovation is the source of development of national economy: сборник статей Международной научно-практической конференции. — Чехия, г. Прага: Education and Science, 2014. - С. 72-74.

Подписано в печать 17.12.2014г. Формат 60x80/16. Объем 1 п.л.Тираж 100.3аказ № 364 Отпечатано с готового оригинал-макега в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551

440000, г. Пенза, ул. Московская, 74.