автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологические параметры и режимы работы машины для сухой очистки кормовых корнеклубнеплодов

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "НЕЧЕРНО30ШТОМАШ "

На правах рукописи

СУХАНОВ Олег Валентинович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И РЕКИМЫ РАБОТЫ МАШИНЫ ДЛЯ СУХОЙ ОЧИСТКИ КОРМОВЫХ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ

Специальность: 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург - Пушкин 1992

У

Работа выполнена в кого НПО "Луч".

НИИСХ Северо-Востока имени Н.В.Рудниц-

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сысуев В.А.

доктор технических наук, профессор Сычугов Н.П.

Ведущая организация:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Белов В.II.

Кировская государственная зональная машиноиспытательная станция

Защита диссертации состоится " ег™_1992 г.

ГУ СО

в _часов на заседании специализированного совета

К 020.59.01 по присуждению ученой степени кандидата технически} наук в Научно-производственном объединении "Нечерноземагромаш" по адресу: 189625, С.-Петербург - Пушкин, п/о Тярлево, Филь-тровское шоссе, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО "Нечерноземагромаш".

Автореферат разослан "_"_1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат технических наук, }

старший научный сотрудник ? Н.Н.Черей

I у.л—

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главными направлениями развития механизации, электрификации и автоматизация животноводства на период до 2ООО года являются: производство экологически чистой продукции на основе применения машинных безотходных технологий, исключение загрязнения окружающей среды, увеличение производства высококачественной продукции за счет повышения продуктивности животных путем применения новых технологий, улучшения подготовки кормов.

Для выполнения поставленных задач необходимо: создание новых и модификация существующих комплектов машин и оборудования по приготовлению кормов; разработка оптимальных технологических режимов и рабочих органов.

Применяемые в настоящее время в сельском хозяйстве машины для мойки корнеклубнеплодов типа ИКМ-5, ИКС-5, ИКМ-Ф-Ю имеют ряд существенных недостатков: при повышенной загрязненности обрабатываемого продукта увеличивается расход воды (до 400 л на тонну продукта), снижается производительность машины почти в 2 раза; вместе со сточными водами выносится плодородный слой почвы, налипшей на корни; необходимо применение дорогостоящих грязеотстойников и надежно работающей системы канализация; в моечной ванне травмируется до &% продукта.

В связи с этим возникает необходимость разработки принципиально нового устройства, лишенного вышеперечисленных недостатков и имеющего более широкие технические возможности.

Цель исследования,. Совершенствование существующих способов очистки корнеклубнеплодов от грязи путем разработки конструктивно-технологической схемы машины для сухой очистки корнеклубнеплодов и исследования влияния различных факторов на качество очистки и энергетические показатели.

Объект исследования - машина для сухой очистки корнеклубнеплодов и выполняемый ею технологический процесс.

Научная новизна. Предложена и обоснована конструктивно-технологическая схема машины для сухой очистки, подтвержденная а.с. И 1720539. Теоретически обосновано влияние действующих на корнеклубнеплоды в процессе очистки щеточных рабочих органов. Получена номограмма, позволяющая выбрать необходимую длину прутка щетки в зависимости от приложенной нагрузки. Рассчитана

математическая модель процесса сухой очистки корнеклубнеплоде

Практическая значимость. Предложенная конструкция машинь позволяет очищать корнеклубнеплоды без применения вода как пр подготовке их к скармливанию, так и при закладке на хранение. Очищенный плодородный слоЗ почвы с поверхности корней может б возвращен на поля. Применение данной машины значительно упрош технологическую линию подготовки корнеклубнеплодов к скармлив ншо.

Реализация результатов исследований. Результаты исследов ний использованы при разработке экспериментальных образцов ма ны для сухой очистки, которые внедрены в колхозе "Путь Ленина Котельяичского района и ОПХ "Пригородное" НПО "Луч" Кировской области.

Апробация. Основные положения работы доложены и обсужден на научных конференциях Кировского сельскохозяйственного инст тута (1989...1992 гг.), С.-Петербургского аграрного утверсит (1991...1992 гг.), на научно -производственной конференции мо. дых ученых и специалистов сельского хозяйства Кировского АПК (1990 г.) и на конферэнции НПО "Нечерноземагромат" "Научные ц леиы технического обеспечения аграрно-промышгенного комплекса НЗ РСФСР" (1991 г.).

Публикация. По результатам исследовашл опубликовано 6 п чатных работ, в том числе I описание к авторскому свидетельст:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введена пяти глав, общих выводов, списка литературы из 125 наименован: и И приложений. Она включает 60 рисунка, // таблиц, общи! объем работы страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведена аннс ция выполненной работы и сформулированы основные положения, В1 носимые на защиту.

В первой главе дан обзор и анализ технических решений да сухой очистки корнеклубнеплодов, сделан выбор рабочих органов для очистки обрабатываемого продукта. Приведены физико-механи' кие свойства корнеклубнеплодов и примесей.

Проведенный анализ работ по исследованию процесса сухой очистки позволил сформулировать следующие задачи исследований

провести теоретические и экспериментальные исследования процесса сухой очистки корнеклубнзплздоз с целью обоснования конструктор-ско-технологической схемы установки; оптимизировать параметры рабочих органов машины; проверить в производственных условиях взаимовлияние рабочих органов на качественные и эргономические показатели.

Во второй главе разработаны теоретические предпосылки к исследованию процесса очистки корнеклубнеплодов щеточными рабочими органами.

Для рассмотрения процесса очистки единичного корня щетками возьмем поперечное сечение щэток и корнеплода (рис.1). На корень действует сила гянестит^ , сила трения F щетки о почву, вращающий момент Мш, от действия сил трения.

Для очистки корней щетками необходимо, чтобы выполнялся ряд условий, наиболее полно рассмотренных А..В.Дервишем, С.А.Найдано-вым: линейные скорости корнеплода и щетки в точке контакта должны быть различные, прутки щетки должны быть упругодеформирован-шши и прочищать в процессе очистки почву, расположенную в углублениях корней, долзшы выполняться следующие неравенства (для нашего случая):

R = Pc< + Pi< ; (i)

Mvf^Pct+Pi2; (2)

где - коэффициент трения скольжения щетки о почву;

Ри,Рсг- соответственно силы сопротивления почвы сдвигу;

Pji,Pii- силы трения щеток о почву;

VW.Vk- нормальнее силы между щеточными рабочими органами и корнем.

После проведения соответствующих преобразований условия осуществления процесса очистки примут следующий вид:

Kl -s Я^^Нсг»»^ -in>tq*Q . (3)

-г-7~- >

}< - за

м ^ дгтпя:«э(СГпр51пд{а - ЧпрЦ<Ц) . (4)

где 1пр - радиус прутка;

ТсЗ - удельное сопротивление почвы сдвигу ее по почве или по поверхности корня;

8n - сопротивление почвы внедрению прутка;

С - объемный коэффициент смятия почвы;

Fnp - площадь сечения прутка; dijOÍi- утлы при вершине деформированных прутков.

В исследуемой машине для сухой очистки корнеклубнеплоды лежат на решетке и на ворсе щеток (рис.2). Прутья решетки расположены в поперечном направлении, чтобы не мешать работе щеток.

В представленной конструкции выполняются все ограничения и допущения, чтобы взаимодействие прутка щетки и корня, лежащего на решетке, можно было рассматривать как динамический удар: в прутке возникают напряжения, не превосходящие предела пропорциональности и закон £ука при ударе сохраняет свою силу; корнеплод является абсолютно жестким телом и не деформируется; удар является неупрутим.

В результате со стороны прутка на корень будет действовать сила динамического удара :

(5)

где Рст. - статическая сила;

Нл ~ динамический коэффициент удара.

Динамический коэффициент удара определяем по общеизвестной формуле: __

^; се)

где бет - статическая деформация прутка от силы Рст ;

V - линейная скорость конца прутка.

Дм определения Рх нообходам о найти значение статической силы Рст , действующей на пруток со стороны корня и деформации прутка щетки от действия этой силы.

Рассмотрим схему, описывающую характер нагрунения прутка (рис.3). Чтобы найти значение силы Рст , необходимо силу нормального давления N спроецировать на прямую, соединяющую центр тяжести корня с точкой соприкосновения корня и прутка

Pn=NmS>; (?)

где Ч* - угол между направлениями действия сил Ы и Рст .

Статическую силу разложим на две составляющие

Рь= Рст eos4?] (8)

Pr = Рст SlnM»]

Мщ Рл+Рм.

КОРНЕПЛОД.

ШШ1

Ш.ЕТЦЦ

Рис.1. Динамика единичного корня

Рис.2. Схема рабочих органов машины для сухой очистки

Рис.3. Действие силы, проходящей через фиксированную точку А

Рис.4. Расчетная схема прутка при действии вертикальной нагрузки

Или, подставив в (8) значение силы Рст из (7), определим:

Рв= KI COSZ4> "I (9)

Рг sln2¥ J

Подобный случай приложения поперечной силы рассмотрен С.П.Тимошенко, который пришел к выводу, что влияние горизонтальной силы для сплошных стержней практически не имеет значе ния.

Таким образом, приходим к расчетной схеме прутка (рис.4) Точное дифференциальное уравнение упругой линии прутка в этом случае будет иметь вид: rift

=-PV , (1С

где S - криволинейная координата текущей точки С;

0 - угол между касательной к линии прутка и осью ОХ; d9/cfS- точное значение кривизны осевой линии прутка в точке Решая это уравнение, С.А.Найданов определил прогибы конца сте жня в вертикальном и горизонтальном направлениях: горизонтальное перемещение:

vi -IIÍSE. (тт

3 — и луг) ">

где 2 = Stn(cí/2)

d. - угол между касательной к линии прутка и осью ОХ; полный эллиптический интеграл в нормальной форме Лежандра (первого порядка); вертикальное перемещение:

где Е(%г) - полный эллиптический интеграл в нормальной форме Лежандра (второго порядка). Таким образом, подставляя в выражение (5) значения стати ческой нагрузки Рст= Рв и определив по формулам (II) и (12 значения прогиба прутка щетки от нагрузки Рст , можно найти силу динамического удара по формуле:

РА= аз

и необходимую длину црутка щетки.

Для нормальной работы машины для сухой очистки необходим чтобы корнеклубнеплоды не перебрасывались через вал шнека и п стоянно находились в зоне действия щеток.

На корнеплод действуют силы: сила тяжести m q и центробежная силагпь^й. Ввиду того, что применяемый шнек является тихоходным, значением центробежной силы можно пренебречь, так как эта сила не оказывает существенного влияния на характер движения корнеплода.

Сползанию обрабатываемого продукта по винтовой поверхности шнека будут препятствовать следующие силы: fj Мь - сила трения о винт шнека; f^Nm. - сила трения о поверхность щетки, где f4 - коэффициент трения корня о винт;

Nb - нормальное давление на ленту винта;

Nui, - нормальное давление на щетки.

В гаком случае получим необходимое условие сползания корней с ленты винта:

f/ng sin^cosoC + £,mç} cosÀcosM' = mcj cos Л slnH* (14) где - угол между наружной кромкой винта и вертикалью:

У = Л

(L - угол подъема винтовой линии шнека;

Л - угол наклона шнека;

Ч7 - угол подъема корня винтом шнека.

Зная геометрические параметры шнека, по формуле (14) можно получить угол поднятия корня и определить оптимальное положение щеток.

В третьей главе приведены программа и методика экспериментальных исследований, методика расчета параметров машины для сухой очистки корнеклубнеплодов, описание лабораторной установки, измерительных устройств, приборов и оборудования.

Физико-механические свойства корнеклубнеплодов определяли по общепринятым методикам.

Программой активного эксперимента предусматривалось определение конструктивных параметров и режимов работы машины для сухой очистки, обеспечивающих выполнение технологического процесса с максимальным эффектом очистки и минимальными удельными энергозатратами.

Для регистрации процессов при работе машины для сухой очистки использовались серийная измерительная аппаратура и устройства. Измерение крутящих моментов на валу привода щеток и шнека производилось проволочными тензодатчиками, сигналы с которых по-

давались на осциллограф при помочи токосъемников. Мощности на привод щеток и шнека определялись путем записи на ленту самопишущих ваттметров. Регистрация и запись сигналов крутящих моментов проводилась измерительной лабораторией ЧЕК-1. Для регистрации силы тока, напряжения, активной и реактивной мощности использовался измерительный комплект К-505.

Обработка полученной информации проводилась по существующим методикам с использованием ЭВМ.

В четвертой главе проведены результаты экспериментальных исследований машины для сухой очистки.

На основании проведенных теоретических исследований и анализа научно-технической и патентной литературы была разработана и изготовлена машина для сухой очистки корнеклубнеплодов (рис.5 Машина для сухой очистки состоит из транспортирующего шнека I в кожухе-трубе 2, решетки 3 в основании трубы, очистительных элементов (щеток) 4, загрузочной 5 % выгрузной 6 горловин, транспо] тера 7 для отвода почвы и растительных остатков.

В процессе проведения предварительных исследований было выявлено 5 факторов, влияющих на качество очистки: частота вращения шнека, частота вращения щеток, угол наклона рабочих органов угол поворота щеток вокруг шнека, длина щеток.

Для оптимизации параметров машины был реализован трехуровневый план Хартли второго порядка (На 5). В качестве критериев оптимизации приняли эффективность очистки А и удельные энергозатраты на единицу степени очистки 3 .

Матрица плана Хартли (На 5) и уровни варьирования факторами 1

Уровни _Факторы_ Критерии

частота частота угол на- угол длина оптимизации вращения вращения клона пово- щеток, ™ „ шнека, щеток, рабочих рота 1«,м % — ■ Мш. N14, органов, щеток, т.ед.ст.с _мин"1 мин-1 ¿".град, бцГРЭД._

Верхний + 15 364 20 20 3

Основной 0 11,5 182 10' 10 1,8?'

Нижний - 8 0 0 0 0,74

Рис.5. Схема машины для сухой очистки корнеклубнеплодов

После проведения экспериментов и обработки данных были рассчитаны коэффициенты регрессии. Расчет коэффициентов регрессии и статистическая обработка результатов проводилась на ЭШ типа ЕС-10357. Математические модели имеют вид: Д = У1 = 74.27 + 15,7Х1 - 9,98Х2 + 3,27Х3 + 6,77Х4 + 6,96X5 +

+ 4,64Х1Х2 - 4,4Х1Х3 - 5,45X^4 - 3,57Х];Х5 - 4,39Х2Х3 + Г.ббХ^-

- 1,45X2X5 + 1,23Х3Х4 - 2,73X3X5 +- 2,73Х4Х5 - О.ЭЗХ^ - О.ЗбХд2 -

- 0,34Х32 - 0,074Х42 - 0,074Х52 (15) 2 = У2 = 0,73 - 0,12X3- - 0,11X2 - 0,07Хз - 0,НХ4 + 0,06X5 -

- О.бХ^ - О.ОбХз-Хз - О.ббХ^ - О.ббХд2 - 0,66Х32 - 0,66Х42 +

+ О.ЗЗХд2 (16)

Анализ математических моделей выполнялся с помощью двумерных сечений и при этом решалась компромиссная задача, в которой требо-

валось найти значения факторов, дающих минимум энергозатрат высокой эффективности очистки.

Проведенный анализ математических моделей при помощи да мерных сечений показал, что эффективность очистки достигаете при следующих значениях факторов: частота вращения шнека -13 мин-*, частота вращения щеток - 100 мин , угол наклона j бочих органов - 12 град, угол поворота щеток вокруг шнека -15 град, длина щеток -2 м.

На основании полученных данных был разработан и изготое экспериментальный образец машины для сухой очистки. Эксперт/ тальные исследования проводились в колхозе "Путь Ленина" Кот ничского района Кировской области и в опытном хозяйстве Кире ской МНС. Результаты исследований представлены на рисунках 6

бост,

2

\

I 6 10 бисх,%

Рис.6. Зависимость остаточной загрязненности картофеля от исходной загрязненности: I - для торфяника; 2 - для суглинка; 3 - для песка

В процессе экспериментов были подтверждены теоретически предпосылки. Рассчитанный коэффициент динамичности Пл. наход ся в пределах от I до 1,12. Е&ла определена статическая сила действующая на единичный пруток Рст = 0,127 Н. По формуле (I получен угол подъема корнеплода винтом шнека 45 град. Исходя

« 5исх,%

го

15

■ЬО \У, %

Рис.7. Зависимость качества очистки кормовой свеклы

от исходной загрязненности и влажности связанной почвы:

I - от исходной загрязненности; 2 - от влажности

геометрических размеров щеток, необходимо их повернуть на угол 15 град для того, что^н обрабатываемый продукт постоянно находился в зоне действия щеток, что также подтверждает результаты экспериментальных исследований.

В пятой главе приведен расчет экономической эффективности применения машины для сухой очистки, а также предлагаются рекомендации производству.

вявода

1. На основании проведенного анализа научно-технической и патентной литературы выявлена необходимость совершенствования существующего гидромеханического способа очистки корнеклубнеплодов от грязи при подготовке их к скармливанию. Предложена классификация устройств для сухой очистки.

2. Установлено, что в качестве рабочего органа для сухой очистки целесообразно использовать щеточные рабочие органы, располагая их под обрабатываемым продуктом, используя массу корней для получения силы, расходуемой на очистку.

Для ограничения предельного значения силы нормального давления корнеклубнеплодов на прутки щетки в конструкции машины применена решетка.

3. Предложена и обоснована конструктивно-технологическая схема машины для сухой очистки корнеклубнеплодов. Новизна техни-

ческого решения подтверждена а.с. № 1720539.

Предложенная конструкция машины расширила технологические возможности очистителей корнеклубнеплодов и дала возможность использовать данную машину как в технологических линиях кормоцехов, так и при закладке корнеклубнеплодов на хранение.

4. Теоретически обоснована динамическая сила, действующая на обрабатываемый продукт в процессе очистки от щеточных рабочих органов. Получена номограмма, позволяющая выбрать необходимую длину прутка щетки в зависимости от приложенной нагрузки. Найдено необходимое условие сползания корней с ленты винта шнека, по которому можно определить максимальный угол поднятия корня винтом шнека и исходя из этого определить положение щеточных рабочих органов.

5. Методом планирования экспериментов получены оптимальные параметры и режимы работы машины для сухой очистки корнеклубнеплодов: частота вращения шнека - 13 мин--'-, частота вращения щеток - 100 ьган~", угол наклона рабочих органов - 12 град, угол поворота щеток вокруг шнека - 15 град, длина щеток -2м при эффективности очистки 85...90$ и удельных энергозатратах на

единицу степени очистки 0,015...О,09 кВт'4-

т.ед.ст.оч.

6. Машина для сухой очистки обеспечивает качественную очистку корнеклубнеплодов (остаточная загрязненность не превышает 3%) при исходной загрязненности связанной почвой до 24$ и ее влажности до 30%, за счет применения двух режимов работы щеток (100

и 200 мин-*) и шнека (10 и 13 мин-"'"). При экстремальных погодных условиях в период уборки, а также при большой засоренности тяжелыми примесями очищаемого продукта, машину можно использовать для предварительной сухой очистки, устанавливая ее перед-мойкой.

7. При использовании машины для сухой очистки снижаются капитальные влояения и приведенные затраты. Расчетный годовой экономический эффект составил 1378,23 руб.

8. По заявкам хозяйств Кировской, Владимирской областей и республики Коми ПКБ НПО "Луч" изготовлено 8 экспериментальных образцов машины для сухой очистки корнеклубнеплодов.

Основные материалы диссертации опубликованы в' следующих печатных работах:

I. A.c. J§ 1720539 (СССР). Транспортер-очиститель корнеклуб-

неплодов /Сысуев В.А., Баранов Н.Ф., "Рублев В.И., Суханов О.В.

2. Сысуев В.А., Суханов О.В. Установка для сухой очистки корнеклубнеплодов //Информационный листок. № 311-89. Киров, 1989.

3. Суханов О.В. К вопросу о сухой очистке корнеплодов // Внедрение достижений науки, техники и передового опыта на уровень современных требований: Материалы конференции. - Киров, 1990. -C.II0-II2.

4. Сысуев В.А., Суханов О.В. Исследование параметров установки для сухой очистки корнеклубнеплодов //Сб.науч.тр. /НИИСХ Северо-Востока - Киров, 1990. - С.20-25.

5. Сысуев В.А., Суханов О.В. Исследование отделения примесей щеточными рабочими органами //Научные проблемы технического обеспечения аграрно-промышлетюго комплекса Нечерноземной зоны РСФСР: Материалы конференции. - Сиб.НИПТИМЭСХ НЗ, 1991. - С.98-99.

6. Суханов О.В. Без воды ... проще /Сельский механизатор, № 2. 1991. - С.35.

3ак.238, 5.09.92, ТДОО. Ротапринт НИИСХ Северо-Востока имени Н.В.рудницкого Ш10"Луч". Киров, ул.Ленина, 166а Объем I печ.л. Бесплатно.