автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров барабанной картофелесортировки

На правах рукописи

Юрасов Владимир Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Чебоксары - 2004

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

почётный работник ВПО РФ Кистанов Евгений Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кормщиков Александр Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Никулин Игорь Васильевич

Ведущая организация - Государственное учреждение

Нижегородский научно-исследовательский проектно-технологический институт АПК РАСХН

Защита состоится 27 мая 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428000 г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».

Автореферат разослан апреля 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Михайлов Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Картофель в России относится к важнейшим сельскохозяйственным культурам, обеспечивающим питание населения и продовольственную независимость страны.

В последние годы значимость картофеля как продовольственно-технической культуры подтверждается его стабильным спросом на рынке, несмотря на существенные изменения в картофелеводстве за последние 10... 12 лет. Так, если в 80-е годы картофель производили крупные специализированные хозяйства с объемами посадочных площадей 100...300 га, то в настоящее время 86 % картофеля производится в неспециализированных личных подсобных и фермерских (крестьянских) хозяйствах. Уровень механизации работ в хозяйствах значительно снизился, выросли затраты при уборке, послеуборочной и предпосадочной обработке картофеля. Важное значение для получения высоких и стабильных урожаев картофеля является его посадка отсортированным на фракции посадочным материалом. Однако серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. В связи с этим вопрос создания эффективных малогабаритных картофелесортировальных машин производительностью до 3 т/ч имеет актуальное значение.

Среди известных устройств для разделения клубней картофеля на фракции барабанная картофелесортировка имеет наиболее простую конструкцию, но ее работа недостаточно изучена. Поэтому представляет научный и практический интерес изучение технологического процесса, обоснование параметров и режимов работы барабанной сортировки картофеля.

Работа выполнялась на основе тематического плана, утвержденного Учёным Советом Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии в 1997 г., по научно-исследовательской теме: «Разработка технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области».

Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы барабанной картофе-лесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью для фермерских (крестьянских) хозяйств.

Объект исследования. Технологический процесс работы барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик, а также по частным методикам, разработанным с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием известных методов расчётов на ПЭВМ.

Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно -технологическая схема барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью (Свидетельство РФ на полезную модель № 26015), теоретически обоснованы размеры калибрующих отверстий для получения фракций соответствующих масс, получены уравнения, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Проведенные исследования позволили создать малогабаритную барабанную сортировку клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью, обладающей точностью сортирования, соответствующей требованиям картофелепроизводителей и обосновать технологические режимы ее работы.

Экспериентальные образцы барабанных картофелесортировок изготовлены и внедрены в фермерском хозяйстве ООО «Волга» Балахнинского района Нижегородской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА (2001...2004 гг.), Нижегородском ГТУ (2003 г) и Чувашской ГСХА (2003 г).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Конструкция и принцип работы малогабаритной барабанной картофе-лесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

2. Теоретические зависимости, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

3. Определение объемов выходов фракций при сортировании и определение функциональной зависимости плотности распределения массы клубней.

4. Результаты экспериментальных исследований.

5. Технико-экономическое обоснование использования малогабаритной барабанной картофелесортировки в фермерских (крестьянских) хозяй -ствах.

Публикации: По основным положениям диссертации опубликовано 7 научных работ том числе 1 свидетельство РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, 58 рисунков, 28 таблиц и 7 приложений. Список литературы включает 94 наименования, из которых 2 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и её практическая значимость, изложены цель и задачи исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведены классификация и аналитический обзор существующих машин для сортирования картофеля. На основе изученных научно-исследовательских работ, посвященных исследованию картофелесортировальных машин, разработана классификация и проанализированы конструкции картофелесортировок барабанного типа.

Исследованию физико-механических свойств клубней картофеля и рабочего процесса картофелесортировальных машин посвящены работы В.П. Го-рячкина, Е.А. Глухих, А.А. Сорокина, Ю.И. Кириенко, Н.Н. Колчина, Н.В. Шабурова, Б.М. Юн, В.А. Макарова, Д.А. Арсеньева, В.М. Мосина,, Л.И. Манпиль и других ученых. Анализ их работ показал, что для фермерских (крестьянских) хозяйств при разделении картофеля на фракции преимущества имеют картофелесортировки барабанного типа, рабочий орган которых образован эластичной сетчатой поверхностью. К преимуществам относятся: минимальное повреждение клубней, простота конструкции, надежность работы.

На основе анализа состояния вопроса в соответствии с поставленной целью работы сформулированы следующие задачи:

- изучить физико-механические свойства клубней картофеля;

- теоретическими исследованиями процесса сортирования клубней картофеля определить конструктивно-кинематические параметры экспериментальной картофелесортировальной машины;

- в лабораторных условиях проверить теоретические исследования и определить рациональные параметры и режимы работы картофелесортировки;

- провести экспериментальную проверку картофелесортировальной машины в хозяйственных условиях;

- определить экономическую эффективность использования предлагаемой картофелесортировки.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса работы барабанной картофелесортировки» представлены разработанные конструктивно-технологические схемы барабанных картофелесортировок. Проведены теоретические исследования рабочего процесса призматического барабана с.эла-стичной сетчатой сортирующей поверхностью с обоснованием его параметров и режимов работы. Определены теоретические объемы выходов фракций

при сортировании, а также функциональной зависимости плотности распределения массы клубней картофеля.

Барабанные картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью могут работать по двум схемам: с последовательным и параллельным сортированием фракций.

Барабанная картофелесортировка с последовательным сортированием фракций (рисунок 1) состоит из рамы 1, приемного лотка 2, сортировочного

принеси мелкая средняя крупная

фракция

Рисунок 1. Конструкционно-технологическая схема картофелесортировки с последовательным сортированием фракций 1-рама; 2-прием1гый лоток; 3-сортировочный барабан; 4-мотор-редуктор; 5-тара

барабана 3, трех скатных лотков и мотор-редуктора 4. Сортировочный барабан 3 представляет собой призматическую раму, составленную из трех обо-дов диаметром 700 мм, укрепленных на общем трубчатом валу с помощью трех крестовин, и восьми трубчатых образующих. Рама обтянута изнутри сетным полотном - дель рыболовная веревочная узловая полиамидная с диаметром шнура 3,1 мм. Новизна технического решения подтверждена свидетельством РФ на полезную модель № 26015.

Картофелесортировка с параллельным сортированием фракций состоит из рамы 1 (рисунок 2), приемного лотка 2, сортирующего барабана 3, трех скатных лотков: мелкой 5, средней 6 и крупной 7 фракций, и мотор-редуктора 4. В состав сортирующего барабана 3 входят два основания, каждое из которых состоит из внутреннего шестигранного и наружного девятигранного колец, связанных через крестовины с приводным валом. Кольца, соединенные трубками, образуют внутренний и наружный каркас сортирующего барабана.

Наружный каркас обтянут изнутри капроновой сеткой с ячейками 35x35

А

Рисунок 2. Конструкционно-технологическая схема картофелесор-тировки с параллельным сортированием фракций 1-рама; 2-приемный лоток; 3-сортирующий барабан; 4-мотор-редуктор; 5, 6, 7 - скатные лотки мелкой, средней и крупной фракций соответственно; 8-тара

мм и образует наружную призматическую поверхность. Внутренний каркас обтянут сеткой с размерами ячеек 45x45 (50x50) мм и образует внутреннюю призматическую поверхность.

Поисковыми опытами установлено, что более рационально использование картофелесортировок барабанного типа с последовательным сортированием фракций.

Для определения оптимальных параметров и режимов работы сортировки рассматривалось взаимодействие клубня с сетчатой сортирующей поверхностью.

Допустимая частота вращения призматического барабана сортировки определялась из условия перемещения клубня и из условия прохода его сквозь ячейки.

Из условия перемещения частота вращения призматического барабана находится по уравнению движения клубня по грани (рисунок 3):

где Т - проекция равнодействующей силы тяжести и силы инерции на плоскость грани, Н;

¥р - сила трения клубня о сетчатую поверхность, Н. После преобразований, получаем:

1 ^ £ Л

2

= (ьта- / со б«)--(/ + ъР).(2)

ё

где р - угол, образованный радиусами

Я и г, град, причем /?тах =-(г

- количество граней призмы) Для движения частицы по грани необходимо, чтобы Выражая

угловую скорость СО через частоту вращения п, получаем:

л„ 30^]ТТ51па-/сова). (3)

Учитывая, что f ^=tg<p ( <р - угол трения клубней картофеля о капроновую сетчатую поверхность) имеем:

Предельное положение грани, при котором еще возможно просеивание клубня соответствует углу ОС =90°.

При а = 90° формула принимает вид:

соъф-саъв гп г

где ^ = —- - показатель, зависящий от угла У трения клубня о

сетчатую поверхность и угла

Значания допустимой частоты вращения призматического барабана по формуле (6) с учетом числа граней г, радиуса г при угле трения ф = 45° приведен в таблице 1.

Таблица 1. Допустимая частота п, мин"1, вращения призматического ба-

рабана в зависимости от радиуса и числа граней

Радиус г, м Число граней г

6 7 8 9

0,3 43,5 44,8 45,9 46,7

0,35 40,3 41,5 42,5 43,3

0,4 37,7 38,8 39,8 40,5

0,45 35,5 36,6 37,5 38,2

Рисунок 3. Схема к определению- допустимой частоты вращения призматического барабана сортировки.

Данные расчета показывают, что с увеличением числа граней z допустимая частота вращения призматического барабана возрастает, а с увеличением радиуса г - уменьшается. Полученные значения частоты вращения барабана из условия перемещения клубня по грани почти в четыре раза превышают частоту вращения, принимаемую на практике. Поэтому необходимо рассмотреть определение допустимой частоты вращения барабана из условия прохода клубня сквозь ячейку.

Впервые схема анализа движения частицы через отверстия плоского решета, совершающего колебательное движение была предложена академиком В.П. Горячкиным. Согласно этой схеме для прохождения частицы через отверстие длиной / (рисунок 4) центр тяжести должен пройти по горизонтальному направлению путь и по вертикальному

.. Исключая ?, получаем:

2

(7)

Если представить, что плоскость (рисунок 4) вращается вокруг некоторого центра О, находящегося на расстоянии г, а

линейная скорость частицы

лучим:

(8)

ш \2 г,

Предельный случай, когда частица еще может пройти в отверстие будет / — 2г,

или г Подставляя последнее выражение в (8), получаем

Подставляя в формулу (9) значения г = 0,35 м, / = 0,035 м и / = 0,045 м, получаем соответственно

мин*1. Полученные значения близки к час-

по-

тоте вращения барабана, принимаемые на практике.

Для определения допустимой частоты вращения призматического барабана из условия прохождения клубня сквозь отверстие рассмотрим клубень с приведенным радиусом r¡ на поверхности грани (рисунок 5). Клубень находится в начале отверстия длиной / на грани на расстоянии ^ _ г от центра вращения О. Относительная скорость клубня направлена к грани под углом р. Положение грани определяется углом at, отсчитываемого от горизонтальной линии.

Направим координатные оси из центра клубня, X - по горизонтали вправо, a Y - вертикально вниз и запишем уравнения проекции перемещения клубня с допущением

X = 1 cos a — rx (cos cr + sin or) = F/ cos(a + /3) (| g)

St2

(H)= /sin a + r, (cosa - sin a) = Vt sin(a + /})+-—

где y- W -_- mr~ (12)

cos p 30 cos p

Решая систему уравнений относительно V, получаем: V <. [/ cos а - г, (cos а + sin а)] х

•ь

(13)

/ 2 сое2 (а + Д)г, [{1%а - tg(a + /?))(/ - г,) + г, (1 + 1&сй&(а + /?)]

Когда клубень находится в середине грани и угол р= 0, выражение (13) принимает вид:

' (14)

Подставив в формулу (13) значение по формуле (12) получаем формулу для относительной частоты вращения клубня:

(15)

Когда клубень находится в середине грани и р~0, выражение (15) принима-

ет вид:

П. мик1

п, мин1 20

а) б)

Рисунок 6. Зависимость относительной частоты П вращения клубня от угла наклона грани при размерах п клубней в долях от размера ячейки а) 35x35 мм б) 45x45 мм: 1 - г, =0,5 /; 2 - 0,45 /; 3 - 0,4 /; 4 - 0,35 /; 5 - 0,3 1,6- 0,251

На рисунке 6 показаны графические зависимости относительной частоты вращения клубней от угла наклона грани при размерах клубней картофеля в долях размера ячейки.

Частота вращения барабана в определенный момент равна относительной частоте вращения клубня, поэтому допустимую частоту вращения барабана из условия прохода клубня сквозь отверстие ячейки ориентировочно вполне можно рассчитывать по формулам (15) и (16).

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлена программа и методика экспериментальных исследований в лабораторных и хозяйственных условиях.

Исследования барабанной сортировки проводилось в два этапа. На первом этапе проводились поисковые однофакторные эксперименты. Для проведения однофакторных экспериментов были разработаны и изготовлены две экспериментальные установки — с последовательным и параллельным сортированием фракций (рисунки 1 и 2). Однофакторные эксперименты позволили выбрать рациональную конструктивно-технологическую схему барабанной картофелесортировки с призматической сортирующей поверхностью и установить зависимости точности сортирования клубней картофеля от частоты вращения и угла наклона барабана. Данные однофакторных экспериментов использовались на втором этапе для проведения многофакторного эксперимента. Рациональной признана схема с последовательным сортированием фракций.

Для проведения многофакторного экспериментов была произведена модернизация экспериментальной картофелесортировальной машины с по-

следовательным сортированием фракций, для чего была увеличена длина сортирующей поверхности и введены полосы из брезентового материала для изменения рабочей длины сортирующей поверхности.

Экспериментальная картофелесортировальная машина состоит из рамы I (рисунок 7), приемного лотка 2, сортировочного барабана 3, мотор-редуктора 4 и трех скатных лотков 5.

В качестве параметра оптимизации работы барабанной картофелесорти-ровки рассматривался коэффициент точности сортирования по машине в це-

где п — число фракций;

- общая масса клубней, оказавшихся в /-ой фракции, кг;

> Мч

- общая масса клубней всех фракций, кг.

Т, - коэффициент точности сортирования картофеля /-ой фракции, который рассчитывался по формуле:

где М, - масса пробы клубней /-ой фракции, отвечающих ее требованиям (масса клубней мелкой фракции должна быть менее 50 г, масса клубней средней фракции - 50.. .80 г, масса клубней крупной фракции - более 80 г), г;

(18)

м

пр

- общая масса пробы клубней, оказавшихся в г-ой фракции, г;

Факторами, влияющими на коэффициент точности сортирования, являются: частота вращения барабана п, подача вороха на приемный лоток д, угол наклона барабана к горизонту а , длина барабана Ь, диаметр барабана Б.

В качестве основных управляемых факторов по результатам теоретических исследований и поисковых опытов были приняты: Х1 - частота вращения барабана, мин-1; Х2 - угол наклона барабана к горизонту, град; Х, - длина барабана, м. Факторы и уровни варьирования приведены в таблице 1. Значения остальных факторов устанавливали на основе анализа априорной информации и по результатам теоретических исследований.

Таблица 1. Факторы и уровни варьирования

Факторы Нормированные Натуральные Уровни варьирования

нижний (-1) основной (0) верхний (+1)

Частота вращения барабана, мин"1 X, п 8,1 10,8 13,5

Угол наклона барабана, град Х2 а 3 5 7

Длина барабана; м Х3 Ь 1,6 1,8 2,0

Угол наклона барабана изменялся с помощью установки дополнительных подкладок определенного размера под передние опоры экспериментальной машины. Длина сортирующей поверхности барабана изменялась перекрытием барабана с помощью двух полос брезентового материала. Частота вращения барабана изменялась сменными звездочками.

Обработка результатов экспериментальных исследований производилась на персональном компьютере с помощью программ Microsoft Excel 97 и Stat-graphics plus version 2.1 for Windows.

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» изложены результаты определения физико-механических свойств клубней картофеля сортов «Невский» и «Удача»; результаты однофакторных испытаний и многофакторных испытаний по определению оптимальных параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки; результаты испытаний картофелесортировки в хозяйственных условиях.

Для определения размеров сортирующей поверхности необходимы размерно-массовые характеристики клубней картофеля определенного сорта. В связи с этим, был исследован состав вороха картофеля сортов «Невский» и «Удача». Кроме этого были построены вариационные кривые распределения размеров и массы клубней, а также определены углы трения скольжения по сетчатой, стальной и деревянной поверхностям.

Зависимость между массой т клубня сорта «Невский» и одним из его линейных размеров (рисунок 8) выражается аналитической зависимостью:

m = 0,0011а2-7"5 = 0,00086 2,878 = 0,0008с3-0099

Для выбора рациональной схемы и определения уровней варьирования параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки были проведены однофакторные эксперименты. Влияние частоты вращения барабана на точность сортирования клубней картофеля определялось на лабораторной установке при изменении частоты вращения барабана п, при которых определялся коэффициент точности сортирования по фракциям и по машине в целом. Коэффициент точности сортирования определялся по формулам

(17) и (18).

На рисунке 9 показаны кривые изменения коэффициента точности сортирования к от частоты вращения барабана п для мелкой, средней и крупной фракций.

Из рисунка 9 видно, что для мелкой фракции коэффициент точности сортирования достигает максимума при частоте примерно равной 9,5 мин, для средней - при 12 мин-1, для крупной - при 10,5 мин-1. Коэффициент точности сортирования для средней фракции меньше, чем для мелкой и крупной, так как в среднюю фракцию попадают клубни из мелкой и крупной фракции, а в мелкую и крупную фракцию попадают клубни только средней фракции. На рисунке 10 показаны зависимости коэффициента точности сортирования к по машине в целом от частоты вращения барабана п для установок с последовательным и параллельным сортированием фракций.

Кривые (рисунок 10) показывают, что точность сортирования клубней картофеля в целом по машине с последовательным сортированием выше, чем для машины с параллельным сортированием фракций. Объясняется это тем, что мелкая и средняя фракции не успевают пройти сквозь отверстия ячеек и поступают сходом с соответствующей поверхности, то есть в крупную фракцию попадает больше средней фракции; в среднюю - мелкой фракции.

Многофакторный эксперимент проводили по рандомизированному трехуровневому плану второго порядка Бокса-Бенкина.

Расчет коэффициентов математической модели осуществляется при помощи компьютерной программы Statgraphics plus version 2.1 for Windows.

В результате расчета была получена математическая модель процесса разделения картофеля на фракции картофелесортировкой барабанного типа в закодированном виде:

Y = 68,9-2,0375Х, - 0,45Х2 -1,5375Х3 - 3,025Х,Х2 + 3,775Х2Х3 + 0,5Х,Х3 + +1,375Х,2 - 1,7Х22 - 2,475Х3

После отсева незначимых коэффициентов получили новую зависимость коэффициента точности сортирования от управляемых факторов: Y = 68,9-2,0375Х|-1,5375Х3 - 3,025Х,Х2 + 3,775Х2Х3+

к, %

7 8 9 10 1» 12 13 14 15 М№~*

Рисунок 10 Зависимости коэффициента точности сортирования к по машине в целом от частоты вращения барабана п для установки: I- с последовательным; 2-е параллельным сортированием фракций

Достоверность результатов определялась критерием Фишера, который дает основание с вероятностью 0,95 утверждать, что экспериментальное уравнение адекватно описывает исследуемый процесс и для оценки результатов эксперимента модель принимается.

После приравнивания частных производных математической модели к нулю и решения системы уравнений определяются оптимальные значения факторов, обеспечивающих максимальный коэффициент точности сортирования клубней картофеля по машине в целом: = -0,099.

Для удобства интерпретации полученных результатов оптимальные значения раскодированы: частота вращения барабана п = 9,63 мин"1; угол наклона барабана длина барабана

Для наглядности результатов строились поверхности отклика и двумерные сечения поверхности отклика, для чего в математической модели эксперимента один фактор подставляли на оптимальном уровне, и рассматривали два других (рисунок 11).

Проверка опытных образцов барабанной картофелесортировки проводилась в фермерском хозяйстве ООО «Волга» Балахнинского района Нижегородской области и подтверждена актом внедрения.

В пятой главе «Экономическая эффективность использования барабанной картофелесортировки» представлены расчеты экономической эффективности при сравнивании картофелесортировки СКБ - 1,5 с ручным сортированием и модернизированной картофелесортировки с сортировкой фирмы «Grimme».

Применение барабанной картофелесортировки СКБ-1,5 в условиях индивидуального (фермерского) хозяйства позволяет получить годовой экономический эффект в сумме 18,6 тыс. руб. (в ценах 2001 г) при сроке окупаемости 1,08 года.

Модернизированная картофелесортировка СКБ-1,5 по сравнению с кар-тофелесортировкой фирмы Grimme снижает эксплуатационные затраты на 38,2 %, затраты труда благодаря введению электропривода снижаются на 40 %, годовой экономический эффект составляет 16,2 тыс. руб (в ценах 2003 г) при сроке окупаемости 1,25 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ конструкций машин для сортирования картофеля позволил определить, что для фермерских (крестьянских) хозяйств наиболее перспективной является конструкция малогабаритной картофелесортировки барабанного типа с эластичной сетчатой сортирующей поверхностью.

2. Разработана рациональная конструкция барабанной призматической картофелесортировки с эластичной сетчатой сортирующей поверхностью (свидетельство РФ на полезную модель № 26015), обеспечивающая производительность до 3-х тонн в час при точности сортирования 70,3% и уровне повреждений не более 1%.

3. Изучение физико-механических свойств клубней картофеля позволило определить в качестве признака сортирования сочетание ширины и толщины клубня и установить разделительный размер ячейки сетчатой поверхности, обеспечивающей более точное сортирование клубней с учетом массовых границ агротребований.

4. Теоретический анализ рабочего процесса барабанной картофелесортировки с эластичной сортирующей поверхностью позволил определить:

• допустимую частоту вращения барабана из условия относительного перемещения клубня и из условия прохода клубня сквозь отверстие ячейки;

• предельный угол подъема и зону скатывания клубней, находящихся на эластичной сетчатой сортирующей поверхности при различных размерах ячеек;

• уравнение движения клубней по внутренней призматической сортирующей поверхности барабана;

• аналитическую функцию распределения массы клубней;

• основные конструктивные параметры сортировального барабана - его диаметр и общую длину при последовательном сортировании;

• предложить методику определения объема выходов фракций в процессе сортирования;

5. Лабораторными исследованиями с применением методики планирования многофакторного эксперимента получена математическая модель технологического процесса барабанной призматической картофелесортировки, позволившая определить оптимальные значения параметров и режимов работы сортировки: частоту вращения барабана n = 9,63 мин-1; угол его наклона а =5,56 длину рабочей части барабана L = 1,78 м при диаметре барабана D = = 0,7 м и удельной подаче q = 1,22 т/k м.

6. Проверка экспериментальной картофелесортировки в хозяйственных условиях показала ее высокую надежность и работоспособность при удельном расходе электроэнергии 0,155 кВт ч на тонну откалиброванных клубней.

7. Применение разработанной барабанной картофелесортировки в условиях индивидуального (фермерского) хозяйства при замене ручного сортирования позволяет получить годовой экономический эффект в сумме 18,6 тыс. руб. (в ценах 2001 года) при сроке окупаемости около года. При сравнении с барабанной картофелесортировкой фирмы «Grimme» годовой экономический эффект составляет 16,2 тыс. руб. (в ценах 2003 года) при сроке окупаемости 1,25 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Кистанов Е.И. Малогабаритная картофелесортировка для фермера /Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов // Нижегородский аграрный журнал № 2 (11), март - апрель, 2002, С. 10-11.

2. Кистанов Е.И. Сортировка картофеля барабанная СКБ-1,5 / Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов //Информ. листок-№ 11-103-01 Н. Новгород: ЦНТИ, 2001.

3. Кистанов Е.И. Сортировка картофеля барабанная СКБ-1,5П / Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов // Информ. листок-№ 11-064-03 Н. Новгород: ЦНТИ, 2003.

4. Кистанов Е.И. Картофелесортировки барабанного типа / Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов Нижегородская гос. с-х. акад. - Н.Новгород, 2003. -8 с. Деп. в ВНИИЭСХ ЦИиТЭИагропром 31.06.03; №104/19048.

5. Юрасов B.C. Малогабаритная картофелесортировка / B.C. Юрасов, Е.И. Кистанов, // Будущее технической науки Нижегородского региона. Тезисы докладов II регионального молодежно-технического форума. Н. Новгород, НГТУ, 2003, С. 102-103.

6. Кистанов Е.И. Определение допустимой частоты вращения призматической барабанной картофелесортировки / Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов / Совершенствование технологий и средств механизации и технического обслуживания в АПК: Сб. науч. тр. международн. науч.-практ. конф., посвящ. 75-

летию Медведева В.И. / ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». - Чебоксары: РИО ФГОУ ВПО «ЧГСХА», 2003. - 295 с, С. 44 - 48. 7. Свидетельство РФ на полезную модель № 26015 , МКИ7 7 В 07 В 1/22. Сортировка картофеля / Е.И. Кистанов, B.C. Юрасов - № 2002103944; Заявлено 14.02.2002; Опубл. 10.11.2002, Бюл. № 31.2 с.

Подписано в печать 09.04.2004 г. Формат 60x84 /16. Бумага офсетная. Объём 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ

Типография ФГОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» 603107, г. Н.Новгород, пр. Гагарина, 97 Лицензия ЛР № 040284

Р-829«

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .Агротехнические требования к картофелесортировальным машинам.

1.2. Обзор существующих машин для сортирования картофеля.

1.2.1. Типы машин для сортирования картофеля.

1.2.2. Картофелесортировальные машины плоско-решетного типа (грохоные).

1.2.3. Картофелесортировальные машины барабанного типа.

1.2.4. Картофелесортировальные машины транспортерного типа.

1.2.5. Роликово-валиковые картофелесортировальные машины.

1.3.Классификация и анализ конструкций картофелесортировок барабанного типа.

Выводы.

1.4. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАБОТЫ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ.

2.1. Выбор объекта исследования.

2.1.1. Способы выделения фракций.

2.1.2. Схема барабанной картофелесортировки с последовательным сортированием фракций.

2.1.3. Схема барабанной картофелесортировки с параллельным сортированием фракций.;.

2.2. Обоснование параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки.!\.

2.2.1. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня.

2.2.2. Определение предельного угла подъема клубней на поверхности грани барабана.

2.2.3. Зона скатывания клубней.

2.2.4. Уравнения движения клубня по внутренней поверхности барабана.

2.2.5. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия прохождения клубня сквозь отверстия.

2.2.6. Обоснование параметров барабана - диаметра D, длины L и удельной производительности q.

2.2.7. Обоснование размеров калибрующих квадратных отверстий.

2.3.Определение объемов выходов фракций при сортировании.

2.4. Определение теоретической функции распределения массы клубней картофеля.

Выводы.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Определение физико-механических свойств клубней картофеля.

3.2.2. Методика проведения однофакторных экспериментов.

3.2.2.1 Экспериментальные установки.

3.2.2.2. Определение производительности картофелесортировки.

3.2.2.3. Определение точности сортирования.

3.2.2.4. Определение степени повреждения клубней картофеля.

3.2.3. Методика планирования многофакторного эксперимента.

3.2.3.1. Лабараторная установка.г,.

3.2.3.2. Обработка результатов планирования эксперимента.

3.2.4. Определение энергетических показателей модернизированной экспериментальной картофелесортировки.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Физико-механические свойства клубней картофеля.

4.2. Результаты однофакторных экспериментов.

4.2.1. Результаты экспериментов картофелесортировки с последовательным сортированием фракций.

4.2.1.1. Влияние частоты вращения барабана на точность сортирования клубней.

4.2.1.2. Влияние угла наклона барабана на точность сортирования клубней.

4.2.2. Точность сортирования клубней на установке с параллельным сортированием фракций.

4.2.3. Результаты замеров производительности и степени повреждений.

4.2.3.1. Установка с последовательным сортированием фракций.

4.2.3.2. Установка с параллельным сортированием фракций.

4.3. Результаты планирования эксперимента.

Выводы.

4.4. Результаты проверки картофелесортировальной машины в хозяйственных условиях.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ.

5.1. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с ручным сортированием.

Выводы.

5.2. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с барабанной картофелесортировкой фирмы «Grimme».

Выводы.f.

Актуальность темы. Картофель- в России относится к важнейшим сельскохозяйственным культурам, обеспечивающим питание населения и продовольственную независимость страны.

В последние годы значимость картофеля как продовольственно-технической культуры подтверждается его стабильным спросом на рынке, несмотря на существенные изменения в картофелеводстве за последние 10. 12 лет. Так, если в 80-е годы картофель производили крупные специализированные хозяйства с объемами посадочных площадей 100.300 га, то в настоящее время 86 % картофеля производится в неспециализированных личных подсобных и фермерских (крестьянских) хозяйствах с посадочными площадями до 50 га [68]. Уровень механизации работ в хозяйствах значительно снизился, выросли затраты при уборке, послеуборочной и предпосадочной обработке картофеля. Важное значение для получения высоких и стабильных урожаев картофеля является его посадка отсортированным на фракции посадочным материалом. Однако серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. В связи с этим вопрос необходимости создания эффективных малогабаритных картофелесортировальных машин производительностью до 3 т/ч имеет актуальное значение.

Среди известных устройств для разделения клубней картофеля на фракции барабанная картофелесортировка имеет наиболее простую конструкцию, но ее работа недостаточно изучена. Поэтому представляет научный и практический интерес изучение технологического процесса, обоснование параметров и режимов работы барабанной сортировки картофеля.

Проведенные исследования явились составной частью работ Нижегородской ГСХА по теме НИОКР на 2000 - 2005 годы: Усовершенствование технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области. Работа выполнялась на основе тематического плана, утверждённого Учёным Советом Нижегородской государственной сельскохозяйственной щ академии в 1997 г., по научно-исследовательской теме: «Разработка технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области».

Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью для фермерских (крестьянских) хозяйств.

Объект исследования. Технологический процесс и конструкция барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик, а также по частным методикам, разработанным с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием известных методов расчётов на ПЭВМ.

Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью (Свидетельство РФ на полезную модель № 26015), теоретически обоснованы размеры калибрующих отверстий для получения фракций соответствующих масс, получены уравнения, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Проведенные исследования позволили создать малогабаритную барабанную сортировку клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью, обладающей точностью сортирования, соответствующей требованиям картофелепроизводителей и обосновать ее технологические режимы работы.

Экспериментальные образцы барабанных картофелесортировок изготовлены и внедрены в фермерском хозяйстве ООО «Волга» Балахнинского района Нижегородской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА (2001.2004 гг.) и Чувашской ГСХА (2003 г, приложение 4).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Конструкция и принцип работы малогабаритной барабанной картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

2. Теоретические зависимости, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

3. Теоретические соотношения картофеля во фракциях и функциональная зависимость плотности распределения массы клубней.

4. Результаты экспериментальных исследований.

5. Технико-экономическое обоснование целесообразности использования малогабаритной барабанной картофелесортировки в фермерских (крестьянских) хозяйствах

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, 58 рисунков, 28 таблиц и 7 приложений. Список литературы включает 94 наименования, из них 2 на иностранном языке.

Выводы.

• Анализ агротехнических требований указывает на то, что до сих пор стандартами не установлены единые требования к качеству сортирования картофеля. Не определено понятие точности сортирования и не указаны его допустимые значения по фракциям.

• Анализ конструкций существующих типов картофелесортировок показывает, что картофелесортировка барабанного типа по своим техниког технологическим показателям может служить основной машиной для сортирования клубней картофеля в фермерских (крестьянских) хозяйствах, однако требуется более подробное исследование и обоснование параметров и режимов ее работы.

1.4. Цель и задачи исследования.

1. ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ9

2. Выбор объекта исследования 2.1.1. Способы выделения фракций

3. Процесс сортирования (калибрования) вороха клубней в общем случае сводится к комбинациям нескольких процессов сепарации различных двухком-понентных масс, осуществляемых в той или иной последовательности 43.

4. Различают два способа выделения фракций последовательный и параллельный (рисунок 2.1).

5. У картофелесортировок барабанного типа может использоваться как последовательный, так и параллельный способ выделения фракций.

6. Картофелесортировка состоит из рамы 1 (рисунок 2.2), приемного лотка 2, сортировочного барабана 3, трех скатных лотков и мотор-редуктора 4 35, 37, 78, 92.

7. Рама 1 представляет собой сварную конструкцию из равнобоких уголков 40x40x4 мм. В передней части рама опирается на две опоры, которые позволяют регулировать угол наклона сортировального барабана.

8. Приемный лоток 2 выполнен из труб и приварен к раме сортировки. Дно приемного лотка представляет собой прутковое решето. Через зазоры между прутьями воячейки 35*J5j5*45 (50*50)77?-^принесимелкаясредняя фракция77?---777крупная

9. Рисунок 2.2 Конструкционно-технологическая схема картофелесортировки с последовательным сортированием фракций1.рама; 2-приемный лоток; 3-сортировочный барабан; 4-мотор-редуктор; 5-таравремя скатывания частично просеиваются почвенные примеси.

10. Рисунок 2.3 Сортировочный барабан картофелесортировкиа) вид общий; б) обод средний

11. Скатные лотки расположены под сортировочным барабаном и выполнены из листовой стали.

12. Привод сортирующего барабана осуществляется с помощью мотор-редуктора 4 мощностью 0,37 кВт.

13. Картофелесортировка состоит из рамы 1 (рисунок 2.4), приемного лотка 2, сортирующего барабана 3, трех скатных лотков: мелкой 5, средней 6 и крупной 7 фракций, и мотор-редуктора 4 38.

14. Рама 1 представляет собой сварную конструкцию из труб различных профилей и равнобоких уголков. В передней части рама опирается на две ножки, позволяющие регулировать угол наклона сортирующего барабана.

15. Приемный лоток 2 представляет собой прутковое решето, через просветы которого во время скатывания частично просеиваются почвенные примеси.

16. Скатные лотки мелкой 5, средней 6 и крупной 7 фракций, расположенные под сортирующим барабаном, выполнены из стальных прутков.

17. Привод сортирующего барабана осуществляется от мотор-редуктора 4 через контрпривод.

18. Для уменьшения скорости картофеля на выходе со скатных лотков установлены брезентовые гасители скорости. Для замены тары без отключения машины на лотках установлены заслонки.

19. К основаниям внутреннего барабана прикреплены обечайки из стального листа для исключения повреждений клубней картофеля во время загрузки.

20. Поисковыми опытами 8. установлено, что производительность картофелесортировки с параллельным сортированием клубней такая же как у картофелесортировки с последовательным разделением фракций, но при этом коэффициент точности сортирования ниже.

21. Обоснование параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки.22.1. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня.

22. Наблюдения за рабочим процессом призматической сортировки картофеля позволили выявить различные виды движения клубней, находящихся на внутренней поверхности призматического барабана.

23. Движения клубня картофеля как материальной точки по внутренней призматической поверхности аналогичны движениям материальной точки по цилиндрической поверхности барабана, но имеют свои особенности.

24. По отношению к поверхности барабана точка может находиться в относительном покое, вращаясь вместе с барабаном, или быть в движении, перемещаясь по поверхности с относительной скоростью.

25. Скорость Va абсолютного движения точки складывается из скорости Vn переносного движения (скорости самого барабана) и скорости V0 относительного движения 71.: /1. Va = Vn + V0 (2.1)

26. При относительном покое (Vo = 0) и равномерном вращении барабана Va = Vn = const (2.2).

27. Положение клубня определяется углом /? и радиусом R. Линейная скорость клубня V, м/с выражается формулой:г

28. Центробежная сила определяется выражением J = • Разложив силу тяжести и центробежную силу по двум направлениям: касательному и нормальному к грани, имеем 83.:1. Т = GsmamV'1. N = Gcosa +RmV: R•sin/?;cos J3,2.5)2.6)

29. Сила трения выражается формулойr21. FTP=fN = fmV 01. Gcosa +-cos pR2.7)

30. Просеивание клубня возможно лишь при его относительном движении по грани.

31. Частота вращения призматического барабана находится из уравнения движения клубня по грани m = Т FTPdVmV1 .или m^^1— = Gs'ma-——sin В f dt R1. Gcosa +mV'R1. COS P2.8)

32. Сделав соответствующие преобразования, получим: 1 dVco2r---— = (sin a / cos a)--(/ + tg/3).g dt g2.9)dV

33. Для движения частицы по грани необходимо, чтобы — > 0dtилиб)2гsintf- / cosa >-(/ + tgj3).g2.10)1. Г *

34. Выражая угловую скорость со через частоту вращения п, получаем:2.11)30 g (sina-fcosa)1. TIT (.f + tgfi)

35. Учитывая, что / = tg<p (Ф угол трения клубней картофеля о капроновую сетчатую поверхность) и проведя преобразования имеем:30 g sin (а ф) • cos р n~Vlj7 sin(/7 + ф) <2-12)

36. Предельное положение грани, при котором еще возможно просеивание клубня соответствует углу а = 90°, а предельное значение угла/7 зависит от числа граней призматического барабана. При шестигранной призме fimax = 30°, а при восьмигранной /?тах = 22,5°.

37. При а = 90° формула принимает вид:30 g cos^-cos/7sin(P + <p) • (2ЛЗ)cosp-cos/? „

38. Обозначив ч = + ^ показатель, зависящии от угла трения клубня осетчатую поверхность и угла Р, формула будет иметь выражение:1. STV 7'*' <2-14)

39. Для цилиндрической барабанной сортировки частоту вращения барабана рекомендуется 57. выбирать с учетом формулы:1. П6~ЪЦТ6 (2-15)

40. Полученная формула (2.14) похожа на формулу (2.15) и отличается на величину .

41. Но при Р = 0°, когда призма переходит в цилиндр, а угол трения составляет Ф = 45° формула (2.14) превращается в формулу (2.15).г *

42. Расчет допустимой частоты вращения призматического барабана по формуле (2.13) с учетом числа граней z, радиуса г при угле трения ^ = 45° приведен в таблице 2.1.