автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и оптимизация параметров выделителя семян из плодов бахчевых культур

Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

Китов Андрей Юрьевич

Совершенствование конструкции и оптимизация параметров выделителя

семян из плодов бахчевых культур

05.20.01.- Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цепляев А.Н. кандидат технических наук, доцент

Шапров М.Н.

Волгоград -1999,

Оглавление

Стр.

Обозначения принятые в диссертации.......................................................4

Введение .........................................................................................................8

Глава-1 Состояние вопроса и задачи исследований..............................10

1.1. Значение бахчевых в народном хозяйстве. Развитие отрасли бахчеводства.........................................................*....................................10

1.2. Обзор существующих семевыделительных линий для тыквенных культур....................................................................................................14

1.2.1. Выделителей семян из плодов бахчевых культур..........................19

1.3. Краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований выделения семян......................................................................................27

1.4. Цель и задачи исследований....................................................................33

Глава-2 Выбор технологической схемы и аналитическое обоснование

параметров выделителя семян.......................—»г??".....• • .....................35

2.1.0боснование технологической схемы выделителя семян и выбор

отделяющего аппарата.................................................................................35

2.2. Основное условие определяющее возможность отделения семян......39

2.3.0боснование размеров куска при отделении семян.............................45

2.4.0пределение технологических параметров верхнего транспортёра ....46

2.5.Теоретическое определение основных параметров деки.....................50

Выводы к главе II...................................................................................57

Глава-3 Методика экспериментальных исследований...........................58

3.1 Программа исследований. Условия для проведения опытов..............58

3.2 Общая методика экспериментальных исследований...........................61

3.3 Методика определения физико-механических свойств коры, мякоти

и семян бахчевых культур......................................................................64

3.3.1. Определение коэффициентов трения покоя образцов коры и мякоти бахчевых по различным поверхностям....................................................64

3.3.2. Определение коэффициентов трения движения образцов коры, мякоти и семян бахчевых по различным поверхностям.....................66

3.3.3. Определение прочностных характеристик........................................69

3.3.4. Размерно-массовые характеристики плодов бахчевых культур......79

3.4.Методика оптимального планирования эксперимента......................81

3.5. Методика определения энергетических показателей рабочего

процесса.......................................................................................88

Глава-4. Результаты экспериментальных исследований........................93

4.1. Коэффициенты трения покоя и движения образцов коры, мякоти и семян бахчевых культур.........................................................................93

4.2. Размерно-массовые характеристики плодов бахчевых культур, Физико-механические свойства коры, мякоти и семян.....................100

4.3. Результаты определения прочностных характеристик коры, мякоти и семян тыквы..............................................................................10S

4.4. Оптимизация процесса отделения семян из плодов бахчевых культур............................................................................................................113

4.5. Энергетические показатели рабочего процесса...................—..........122

Выводы к главе IV..................................................................................125

Глава-5 . Механизированная технология процесса выделения семян из плодов бахчевых культур и выявление её экономической эффективности.............................................................................128

5.1. Результаты исследований опытного образца и технико-экономическое обоснование выделителя семян..........................................................128

5.2. Технико-экономическое обоснование выделителя семян тыквенных культур транспортёрного типа.................................................................132

Выводы к главе V........................................i...........................................139

Общие выводы и практические рекомендации................................139

Литература....................................................................................142

Приложения ............................................................................................152

Обозначения, принятые в диссертации.

Пс - потери семян при переработке плодов штифтовым отделяющим аппаратом (%)

Кп - выделение семян штифтовым барабаном на единицу разрушения ( шт/м )

л

уо - количество семян в единице объема (шт/м )

8о - Расстояние между штифтами на барабане, (мм)

ц - коэффициент , учитывающий размерные характеристики плодов

Рч - потери семян при переработке дыни,%

Рт - потери семян при переработке тыквы, %

W- массовая подача плодов, кг/с

А,В - безразмерные коэффициенты

п - степень измельчения плодов, (шт)

О - масса плода, кг

5 - плотность частиц, кг

Ь - средняя длина частиц, м

Ьл - длина лопасти

Тс - сила, необходимая для отрыва семени от мякоти куска

Те - сила связи

Ос - сила тяжести семени

\|У - длина ячейки деки

- сила трения семени об элемент I7 Тр? Р тр- сила трения

Бтр - сила, необходимая для срезания части мякоти и отделения семян О - сила тяжести Ри„ - сила инерции

Я - сила воздействия лопасти на кусок плода X ,У - оси координат

fл - коэффициент трения между лопастью и корой куска плода

«

f - коэффициент трения между мякотью и нижним транспортёром

^ - коэффициент трения семени о поверхность элемента

f - коэффициент трения между лопастью и мякотью плода

N - нормальная сила давления

а- угол между силой Я и осью координат

ш - масса куска плода

Я - ускорение свободного падения

] - ускорение куска плода

Б ср - сила среза

Ь - толщина слоя семян

Ь - ширина куска плода

[Стер] - предельное напряжение среза мякоти

Т - сила сопротивления внедрению элементов деки в мякоть

[асм ] - предельное напряжение смятия мякоти

Б - площадь поперечного сечения элнъементов деки внедряемых в кусок Ях - равнодействующая действующая в горизонтальной плоскости Лу - равнодействующая действующая в вертикальной плоскости г- радиус 1С - длина семени й - диаметр

Бд - длина дуги внутренней поверхности куска Е1 - жёсткость лопасти Р - угол

Н - расстояние по вертикали от точки контакта до точки крепления лопасти

Риз - сила изгиба

Рхин - сила инерции лопасти

Ук - конечная относительная скорость лопасти

А I - время удара

Ун - начальная относительная скорость лопасти ш" - масса лопасти, приведённая в точку удара Е - велечина местной деформации к - коэффициент местной жёсткости

х - перемещение массы лопасти, приведённой в точку удара & - коэффициент упругости лопасти е - расстояние между точкой О1 и центром семени 0х 8а - длина деки

ъ - количество слоев семян в мякоти 1 - длина Ь - ширина с - толщина

^ - коэффициент трения покоя

- коэффициент трения движения фп - угол трения покоя фч - угол трения движения ф' - угол естественного откоса

т - время необходимое на отделение семян из мякоти куска Тсв - сила связи, (н) у - угол "наклона оси семени с!с - толщина семени

д Яу - сила действующая на семя со стороны лопасти РТр - сила трения семени об элемент а'с - сила тяжести семени ак - сила тяжести куска

дЫ - элементарное усилие приходящееся на единицу площади f - коэффициент трения семени о поверхность элемента

8С - площадь семени

V] и У2 - рабочие скорости транспортёров, м/с Ад, - предельная ошибка

а - среднее квадратическое отклонение ст2 - дисперсия случайной величины Ьм - высота плода с1м - диаметр плода в поперечнике

<1ср - средний размер плода по взаимно - перпендикулярным направлениям

ёп - наибольший или наименьший диаметр плода

1 - индекс формы плода

А П - максимальная ошибка измерений

X - критерий Стьюдента для принятого уровня вероятности

Р,§ - доли признака, численно равные отношению благоприятных и

неблагоприятных случаев

Бр - предельная ошибка при определении доли признака стн - нормальное напряжение

осав - угол поворота касательной к линии скольжения на участке АВ

£ - коэффициент учитывающий свойства материала

ф - угол внутреннего трения материала

стсж - напряжение сжатия образца, н/м2

Р - сила сжатия образца, Н

Бо - площадь поперечного сечения образца, м2

8- относительная деформация образца

А Ь0 - абсолютная деформация образца, м

Ртах - максимальная сила сжатия образца

е0 - потери семян по выходам, %

Я - потери семян одного из выходов, кг.

а - потери семян по машине в целом, %

£(3 - суммарные потери семян по выходам, кг.

- производительность машины, т/ч. т- вес выхода " семена" ( кг), п- продолжительность повторности опыта, сек. Р- критерий Фишера

ст\Е - дисперсия неадекватности математической модели

ст2у - дисперсия ошибки опыта

Уи - среднее значение критерия оптимизации

N - число опытов в матрице

к- число факторов

л

Ем - модуль упругости Юнга, н/м

Стр - разрушающее напряжение сжатия

рмк - предельное разрушающее напряжение мякоти

рмс - предельное разрушающее напряжение семян

Рст - плотность семян тыквы

л

Р - давление, н/м

Ьк - площадь контакта, см2

Ъ - коэффициент трения для сухой поверхности

- коэффициент трения для смоченной поверхности Вк - размер куска

шп - систематическая ошибка прибора д - абсолютная ошибка измерения

X - средняя арифметическая

V - коэффициент вариации

д Р - показатель точности опыта

д ср - средняя ошибка опыта

а- среднее квадратическое отклонение ( стандарт)

ВВЕДЕНИЕ

Современное сельскохозяйственное производство требует решения многих задач, среди которых определяющее значение имеют повышение урожайности сельскохозяйственных культур и увеличение товарного выхода высококачественной, экологически чистой продукции при снижении общих затрат и уменьшении потерь [103,104]. Особую актуальность приобретает всемерное снижение или полное исключение доли ручного труда за счет комплексной механизации технологических процессов.

Однако, при переработке таких культур как овощные, бахчевые, плодовые, ягодные и им подобные полностью исключить ручной труд при современном уровне развития сельскохозяйственной техники невозможно. Это связано со специфическими свойствами не только самих растений, но и плодов. Так, технологии уборки и переработки бахчевых включают операции, традиционно выполняемые во всех регионах полностью или частично вручную. Большая часть затрат ручного труда приходится на уборку урожая и его послеуборочную переработку [105]. Одной из ценных культур является тыква. Мякоть её содержит углеводы, витамины пектины и минеральные соли. Тыква высокоурожайна, хорошо хранится и силосуется. Ценным продуктом являются семена, служащие сырьём для получения высококачественных масел и лекарственных препаратов.

Одним из главных факторов, сдерживающих производство этой культуры является высокая трудоёмкость послеуборочной переработки на семена. Технологии выделения семян основаны преимущественно на применении ручного труда, а существующие конструктивно-технологические решения выделителей семян не обеспечивают при переработке бахчевых эффективной и качественной работы: потери семян достигают 8-23%, что не удовлетворяет требованиям возрастающего масштаба производства.

Для решения указанной проблемы необходимо на основе анализа особенностей развития бахчевых культур обосновать рациональную технологию и разработать технические средства для механизации процессов выделения семян.

Поэтому цель исследований заключается в разработке технических решений по совершенствованию технологии выделения семян из плодов бахчевых культур, обеспечивающей снижение удельных энергозатрат на ручных операциях в 2,5...3,5 раз по сравнению с общепринятой технологией за счет механизации наиболее трудоемких операций.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение поставленной цели, реализованы следующие задачи:

— разработана методика выбора технологии выделения семян из плодов бахчевых культур на основе обобщенного критерия эффективности с учетом

реальных условий производства, технических средств, трудовых ресурсов и других факторов;

— изучены особенности физико-механических свойств плодов бахчевых культур.

— разработаны и запатентованы выделители, обеспечивающие максимальный выход семян из плодов бахчевых культур на фоне снижения затрат совокупной энергии и использования ручного труда;

— изысканы возможности снижения затрат ручного труда за счет использования на конечной стадии переработки - выделителя семян из плодов бахчевых культур;

составлена математическая модель процесса выделения семян из плодов бахчевых с использованием выделителя семян истирающего типа и на ее основе подготовлены практические рекомендации производству.

Глава I. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Значение бахчевых в народном хозяйстве. Развитие отрасли бахчеводства.

Продукция бахчеводства с давних времен находит самое широкое и разностороннее применение. Во первых, это продукт питания для человека .Плоды бахчевых культур содержат большое количество Сахаров, причем в формах доступных для организма .В среднем в плоде арбуза содержится от 6 до 10%сахара,в плодах дыни процент содержания сахара еще выше и достигает от 6 до 18% , в тыквах он колеблется от 2 до 6% [9].

Химический состав сухих семян арбуза следующий: масла 50%,белка 34%,углеводов 7,7%,в том числе клетчатки 1,4%,золы 3,1% .Сырые семена содержат масла до 25 %. В арбузное масло входят жирные кислоты: олеиновая 48,2%, линолевая 45,2%, пальмитиновая 7,3%, и другие. Оно может заменять медицинское миндальное масло, а по вкусовым качествам не уступает лучшему растительному маслу - прованскому .В нем содержится также витамин Б .

Плоды и семена тыквенных культур являются ценным сырьем для парфюмерной, косметической и медицинской промышленности. Плоды тыквы содержат 92-94% влаги. В ее сухом веществе Сахаров 2-6%, азотистых соединений 0,3-1,0%, кислот 0,05-0,01%, клетчатки 0,7-1,2%, пектиновых веществ 0,3-0,8%, золы 0,4-0,8%. В плодах поздних сортов тыквы крахмал составляет 2-7%, а в плодах ранних и кормовых сортов его нет.

По выходу витамина А (каротина) тыква превосходит все известные нам представители растительного мира и содержит каротина на различных этапах зрелости от 0,6 до 4,8кг\га. Для сравнения красная морковь имеет каротина-1,1кг\га, томаты-0,9кг\га, рябина-1,3кг\га. Валовая урожайность у тыквы самая высокая из бахчевых культур и достигает 30 тонн с 1 га.[33].

Семена бахчевых растений содержат (без кожуры) до 58% хорошего пищевого масла[34]. Особый интерес представляют семена без оболочек у голосемянных тыкв .Они содержат масла 48%,количество семян на один плод

составляет 1,1-3,8%, а общий выход масла из урожая плодов 15-20 тонн с 1 га достигает 150-250кг.

Тыквенное масло содержит: витамины Е, каротин, жирные кислоты и другие биологически активные вещества. В настоящее время сно нашло широкое применение в медицине в лечебных целях [8].

Масла изготовляемые из семян некоторых бахчевых культур используются в ракетной промышленности.

Мякоть тыквы используется при лечении ожогов, наружных и внутренних язв [33, 109].

Широкое применение нашли бахчевые и в животноводстве. На корм скоту используется кормовой арбуз, кабачки, кормовые и столовые сорта тыкв, а также отходы от продовольственной бахчи.

Обладая высокой сочностью и сахаристостью, приятным запахом ,бахчевые очень хорошо поедаются животными и вполне могут соперничать с другими сочными кормами .По содержанию каротина кормовой арбуз почти в два раза превосходит кукурузный силос, а кормовая тыква по количеству переваримого протеина превосходит даже морковь.

Из выше сказанного следует, что бахчевые культуры имеют важное значение в народном хозяйстве, а продукция бахчеводства используется в самых различных отраслях производства.

Зарождение бахчеводства в России относится к восьмому веку нашей эры, однако до середины прошлого столетия бахчевые выращивались исключительно для внутрихозяйственного потребления. Используемое на данном этапе «местно-потребительское бахчеводство» характеризовалось большим количеством сортов и их низкими вкусовыми свойствами [7].

К основным районам возделывания бахчевых относились южная и юго-восточная части России Посевы бахчевых размещались в основном по целинным землям, а при их изменении снижалась и площадь под бахчи.

С середины прошлого века положено начало промышленному

бахчеводству в России. Оно характеризуется расширением посевных площадей, увеличением товарного выхода продукции. Этому способствовало развитие железнодорожного транспорта, появление рынков сбыта.

К началу 20-го столетия площади под бахчевыми и их валовой сбор снижаются примерно в 10 раз [10]. Свое возрождение бахчеводство получило только после революции. Уже в 1925 году бахчевые выращивались на площади 1372100 га, а валовой сбор их составлял 85 мл. т.[10,80].В дальнейшем занятость площадей под бахчевыми резко колеблется, что видно из диаграмм�