Національний аграрний університет

Смолінський Станіслав Вікторович

УДК 631.358.44/45

ОБҐРУНТУВАННЯ конструкції і параметрів

спірального сепаратора картопляного вороху

05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий керівник: член-кореспондент УААН, Заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Булгаков Володимир Михайлович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри механіки і ТММ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Завгородній Анатолій Федорович, Українська академія аграрних наук, провідний науковий співробітник відділу механізації та електрифікації, харчової і переробної промисловості апарату президії

Провідна установа: Національний науковий центр "Інститут механізації і електрифікації сільського господарства", відділ механізації виробництва коренебульбоплодів і овочів, УААН, смт. Глеваха Васильківського району Київської області

Захист відбудеться " 6 " лютого 2003 р. о год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .004.06 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 41.

Автореферат розісланий " 4 " січня 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Войтюк Д.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми досліджень. Однією з найважливіших сільськогосподарських культур для виробництва продуктів харчування, кормів і сировини для промисловості є картопля. По споживанню на одну людину (згідно рекомендацій Міністерства охорони здоров'я України це складає до 130 кг на рік) її назвали "другим хлібом". Світові площі під картоплею в 1994 році складали 18,2 млн.га, з них близько 9% (1,6 млн.га) – виробничі площі під картоплею на Україні. Це третє місце по займаним картоплею площам в світі. Світовий збір цього цінного продукту складає 265,4 млн.т, з яких більше 6% зібрано на українських полях.

Картоплярство одна з галузей сільськогосподарського виробництва, робота в яких пов'язана із значними енерговитратами і витратами праці. Затрати на механізоване збирання складають 50-60% від загальних затрат. З них близько 55% - це затрати енергії, що припадають на сепаруючі робочі органи. Це пояснюється тим, що в підкопаній бульбоносній масі, яка подається на сепаруючі робочі органи, вміст бульб картоплі складає лише 2-3% від загальної маси. Тому якість вихідного продукту насамперед залежить від роботи сепараторів.

Проведеними розрахунками встановлено, що протягом трьох останніх років разом з картоплею і овочами вивезено до 11 млн.т родючого шару ґрунту, а це призводить до інтенсивної деградації ґрунтів. Тому вдосконалення сепаруючих робочих органів слід направити на зменшення вмісту ґрунту у вихідному воросі, який вивозиться з поля, а отже і поліпшення стану в системі "навколишнє середовище – людина".

Тому, створення нового сепаратора картопляного вороху, який працюватиме якісно незалежно від умов, обґрунтування його параметрів і дослідження процесу сепарації є актуальною проблемою в галузі механізації сільського господарства і конструювання сільськогосподарських машин.

Зв'язок роботи з науковими темами і відповідність паспорту спеціальності. Розробка сепаруючого робочого органу картоплезбиральної машини і дослідження його роботи проведено згідно до комплексної програми "Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової і переробної промисловості", затвердженої Кабінетом Міністрів України від 7.03.1996 р. Дисертація виконана на кафедрі механіки і ТММ Національного аграрного університету і основні її положення увійшли до тематичного плану науково-дослідної роботи №0101 U 003211 "Розробка та впровадження у виробництво вдосконаленого очисника вороху картоплезбирального комбайну" і відповідає вимогам паспорту спеціальності 05.05.11 – "Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва", який затверджено Президією ВАК України.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – підвищення якісних показників процесу сепарації картопляного вороху шляхом розробки конструкції і оптимізації параметрів і режимів роботи сепаратора.

Відповідно до поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:–

проаналізувати існуючі конструкції очисників картоплі та обґрунтувати конструктивну схему сепаратора картопляного вороху;–

побудувати розрахункові математичні моделі руху бульби картоплі по поверхні сепаратора та процесу сепарації вороху; –

визначити раціональні параметри і режими роботи досліджуваного робочого органу і визначити агротехнічні показники роботи картоплезбиральної машини із встановленим на неї сепаратором.

Об'єкт дослідження – процес та технічні засоби сепарації картопляного вороху.

Предмет дослідження – механіко-математичне та експериментальне обґрунтування засобу сепарації картопляного вороху і його основних параметрів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились з використанням основних положень вищої математики, теоретичної і аналітичної механіки, опору матеріалів, а експериментальні дослідження - відповідно до прийнятої методики і галузевих стандартів в лабораторних і польових умовах на розробленій експериментальній установці з використання планування багатофакторного експерименту. Обробка результатів експериментальних досліджень здійснювалась на ПЕОМ за допомогою прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці нової конструкції сепаратора картопляного вороху та математичних моделей руху тіла по поверхні сепаратора і процесу сепарації, одержанні теоретичних і експериментальних залежностей впливу конструктивних і кінематичних параметрів сепаратора на якісні показники роботи.

Новизна технічних рішень підтверджена 2 патентами України на винахід.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкції і обґрунтуванні параметрів сепаратора картопляного вороху, який дозволить зменшити втрату бульб до 1,8% (дрібні бульби до 20 мм, які провалились крізь просіваючи просвіти), пошкодження бульб на 46,7% (переважно пошкодження кірки бульб до 25% поверхні) і ширину валка бульб – на 20,8-28%. Економічний ефект від використання однорядного картоплекопача з спіральним сепаратором складає (в цінах на 1.10.2000 р.) 134,21 грн/га на одну машину.

Особистий внесок здобувача. В дослідженнях по темі дисертації здобувачем самостійно одержані такі результати: проведено аналіз існуючих конструкцій сепаруючих робочих органів картоплезбиральних машин; побудовано математичну модель руху бульби картоплі по поверхні спірального сепаратора, проведено аналітичні дослідження коливань спіралі і процесу сепарації картопляного вороху на розробленому робочому органі, експериментальні дослідження та обробку експериментальних даних методами регресивного і кореляційного аналізу для визначення оптимальних значень конструктивних і кінематичних параметрів.

П'ять статей по темі дисертаційної роботи є одноосібними. В конструкції спірального сепаратора, який захищений патентом України, частка всіх авторів однакова. В інших опублікованих наукових працях по темі дисертаційної роботи доля здобувача складає близько 85%.

Апробація результатів досліджень. Результати наукового дослідження доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету (1998   р.р.), міжнародній науково-технічній конференції "Стан та перспективи розвитку механізації сільського господарства на рубежі сторіч" (Київ, НАУ. – 1999), представлені у вигляді оглядового матеріалу на Internationale Tagung "Stoffliche Nutzung der nachwachsene Rohstoffe" (Technische Universitat Dresden, Deutschland – 2001), на 2-ій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки", присвяченій пам'яті П.М.Василенка (м.Луцьк, 2001), І-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми застосування технологій точного землеробства в АПК" (м.Київ, ННТІ НАУ. – 2002), на VI-ому Міжнародному науковому симпозіумі "Inzynierowie nowej ery" (м.Люблін, Польща, 2002), на 3-ій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки", присвяченій пам'яті П.М.Василенка (м.Миколаїв, 2002). Дисертаційна робота в повному обсязі була заслухана на розширеному засіданні кафедри механіки і ТММ НАУ (м.Київ, 2002).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 16 статей, із них 5 – одноосібні, у фахових виданнях, затверджених "Переліком ВАК..." по технічним наукам, отримано два патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 143 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, яка налічує 160 найменувань (з них 3 на іноземних мовах), додатків, містить 6 таблиць і 48 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету і завдання дослідження, наведено наукову новизну, практичне значення роботи, рівень апробації і публікації одержаних результатів досліджень.

В першому розділі "Аналіз конструкцій сепараторів картопляного вороху і напрямки подальшого їх вдосконалення" приводиться аналіз технічних засобів для сепарації картопляного вороху, а також причини обмеженості їх застосування. Розробці конструкцій сепаруючих робочих органів картоплезбиральних машин присвячені роботи М.В.Бишова, В.М.Булгакова, П.М.Василенка, М.І.Верещагіна, В.Я.Верменка, М.М.Колчіна, А.П.Кроптова, Б.І.Максімова, Л.М.Максимова, М.І.Маслєнкова, Г.Д.Петрова, О.А.Сафразбекяна, О.О.Сорокіна, М.В.Фірсова та інших вчених. Але до цих пір ще не створено досконалу конструкцію сепаратора картопляного вороху, яка б якісно працювала при різних погодно-кліматичних умовах.

Аналіз основних сепаруючих робочих органів картоплезбиральних машин показав, що простотою конструкції, експлуатації і високими показниками роботи відзначаються сепаратори просіваючого типу.

Пошук необхідної конструктивно-технологічної схеми також пов'язується з розширенням діапазону умов застосування. Для досягнення поставленої мети запропонована конструктивна схема спірального сепаратора (рис. ), який складається із трьох гвинтових, послідовно встановлених привідних вальців 1, які виконані в вигляді консольних спіральних пружин 2, закріплених на маточинах 3 і з'єднаними з привідним валом 4. Для запобігання залипання просіваючих зазорів вологим грунтом, спіралі 2 встановлені із взаємним перекриттям, а інтенсифікація просівання грунту і додаткове руйнування грудок досягається ексцентричним закріпленням вальців 1.

Рис. . Конструктивна схема спірального сепаратора картопляного вороха:

1-гвинтові вальці; 2-консольні спіральні пружини; 3-маточина;

4-привідной вал; 5-захисний щиток; 6-подаючий транспортер;

7-відвідний транспортер

Вивченню загальних положень теорії руху і процесу відокремлення домішок на сепараторах просіваючого типу і шнекових робочих органах присвячені роботи Ю.Б.Аванесова, П.М.Василенка, В.Я.Верменка, Б.М.Гевка, А.М.Григорьєва, Є.О.Жистіна, Н.Н.Колчіна, Г.В.Корнеєва, Л.М.Максимова, А.А.Омельченка, Г.Д.Петрова, Л.В.Погорілого, Р.М.Рогатинського, Б.П.Шабельника, М.К.Штукова та інших. Існуючі результати досліджень не дозволяють однозначно визначити конструктивні і кінематичні параметри сепаруючих робочих органів. Більшість досліджень є частковими випадками розв'язку загальних задач. Оскільки процес відокремлення на спіральному сепараторі картопляного вороху має специфічний характер, то питання розгляду руху тіла по робочій поверхні і дослідження процесу сепарації потребує подальших теоретичних досліджень.

В другому розділі "Основні теоретичні передумови дослідження процесу відокремлення домішок на спіральному сепараторі картопляного вороху" побудована розрахункова математична модель руху бульби картоплі по поверхні спірального робочого органу; проаналізовано процес сепарації картопляного вороху спіральним робочим органом; розглянуто коливання спіралі при виконанні технологічного процесу.

Розглянемо рух бульби картоплі круглої форми радіусом на поверхні спірального сепаруючого робочого органу, виконаного у вигляді спіралі радіусом з кроком навивки та кутом підйому гвинтової лінії з умови, що бульби картоплі розміщені в один шар і між собою дотикаються по більшому діаметру (рис. ). Спіралі встановлені послідовно з міжцентровою відстанню і з деяким перкриттям. Обертання спіралей навколо власних осей відбувається за напрямком руху годинникової стрілки. При умові, що бульба знаходиться в руслі між спіралями, то її контакт з поверхнями спіралей відбувається в трьох точках.

Рис. 2. Еквівалентна схема контакту бульби з поверхнею двох спіралей

Якщо спіралі закріпленні із значенням ексцентриситету , то систему рівнянь, яка визначатиме положення бульби в будь-який момент часу матиме вигляд

(1)

де – діаметр прутка навивки.

Отже, отримана система рівнянь (1) описує рух довільної точки по поверхні однієї спіралі, що обертається навколо власної осі. Дані рівняння і подальші їх перетворення дають змогу отримати кінематичні параметри, які характеризуватимуть рух компонентів вороха, що буде подаватись на його поверхню.

Рис. . Еквівалентна схема руху бульби картоплі по поверхні спіралі

Дослідження динаміки взаємодії тіла із поверхнею спірального сепаратора проведемо використавши теорію відносного руху. Припустимо, що початкова швидкість цього тіла, тобто швидкість при попаданні на поверхню спірального сепаратора, буде дорівнювати нулю. При цьому на тіло будуть діяти такі сили (рис. ): - сила тяжіння тіла масою , яке в рухомій системі координат рухається із кутовою швидкістю ; - сила нормальної реакції поверхні спіральної навивки, яка направлена по нормалі до траєкторії відносного руху тіла по спіралі; - сила тертя ковзання тіла по поверхні спіральної навивки і направлена проти напрямку відносного руху тіла; - відцентрова сила інерції, яка напрямлена по нормалі до траєкторії руху; - коріолісова сила інерції, яка напрямлена по нормалі до траєкторії відносного руху, протилежно напрямку коріолісового прискорення; - сила підпору подаючого на спіральний сепаратор вороху. На підставі зазначених сил в загальному вигляді векторне рівняння руху бульби картоплі по поверхні спіралі матиме такий вид

, (2)

де - прискорення руху по поверхні спірального вальця.

У нерухомій системі координат вісь співпадає із віссю спіралі, а вісь направлена в сторону руху до сусідньої спіралі. Рухому систему координат пов'яжемо з центром ваги бульби С.

Крім того опишемо за допомогою рівнянь моментів обертальний рух бульби картоплі навколо власної вісі

, (3)

де – момент інерції бульби відносно центральної вісі; - кутове прискорення обертального руху бульби.

Рух бульби по поверхні спірального сепаратора на підставі (2), (3) опишеться наступною системою диференційних рівнянь

де - радіальний параметр положення центру ваги тіла відносно вісі спіралі; - абсолютна швидкість руху центру бульби; - кут тертя кочення; - радіус бульби.

Розв'язок системи диференційних рівнянь (4) при встановленому русі тіла буде мати вигляд математичного виразу, який пов'язує конструктивні і кінематичні параметри спірального сепаратора та визначає кутову швидкість обертання бульби навколо власної вісі

. (5)

Аналіз отриманого виразу (5) дозволяє зробити висновок, що із зростанням кутової швидкості спіралі кутова швидкість обертання бульби навколо власної вісі зменшується наближаючись до нуля, тобто до умови руху тіла без перекочування. При збільшенні радіуса спіралі, ексцентриситету закріплення спіралей та кроку навивки, кутова швидкість обертання тіла зменшується. Тому для досягнення мінімальної кутової швидкості обертання бульби слід збільшувати ці параметри. Найбільший вплив на кутову швидкість тіла має зміна кроку навивки, а найменший – ексцентриситет. Для забезпечення руху бульби по поверхні спіралі необхідно, щоб кутова швидкість обертального руху спіралі була більше мінімально допустимого значення

. (6)

При радіусі бульби   мм, радіусі спіралі   мм, кроці навивки   мм, діаметрі прутка, з якого виготовлено спіральну навивку,  ,5 мм, ексцентриситеті закріплення спіралі   мм і кутовому положенні  ,8 рад значення кутової швидкості обертального руху спіралі має бути не менше 27 рад/с.

Для дослідження просівання ґрунтової маси на спіральному сепараторі використано диференційне рівняння змінного об'єму, в результаті перетворень якого отримано вираз, що пов'язує конструктивні і кінематичні параметри спірального сепаратора з якісним показником роботи – процентом просіяного ґрунту

. (7)

Аналіз отриманої залежності свідчить, що при переміщенні ґрунтової маси на поверхні спірального робочого органу із збільшенням кута повороту робочого елементу від 0 до 1,4 рад спостерігається повільне зростання проценту просіяного ґрунту. В інтервалі кута повороту 1,4...1,74 рад спостерігається різке зростання, а потім падіння цього показника. Але при подальшому повороті спіралі до значення близько 3,14 рад просівання майже відсутнє. Найбільше значення просівання набуває при куті повороту 3,14 рад, тобто при максимальному значенні ексцентриситету (амплітуда осцилюючого руху).

Динаміка процесу сепарації картопляного вороху на спіральному сепараторі досліджувалась з використанням диференційного рівняння руху тіла змінної маси. В проекціях на нормальну і дотичну вісі натурального тригранника воно матиме наступний вигляд

(8)

де  - початкове положення; m0  початкова маса;   радіальне положення центру виділеного об'єму на поверхні спірального сепаратора;   кут, що визначає положення тіла;   сила тяжіння тіла змінної маси; - нормальна реакція поверхні;   сила тертя маси по поверхні сепаратора;  - сила від дії зміни маси;   відцентрова сила;  - сила від прискорення осцилюючого руху.

Провівши підстановки і певні алгебраїчні перетворення запишемо в кінцевому вигляді вираз інтенсивності сепарації

(9)

де – амплітуда коливань спіралі; - зсув фаз.

Отже, на інтенсивність просівання на спіральному сепараторі впливають конструктивні параметри (радіус спіралі, кут нахилу гвинтової лінії), фрикційні властивості, кутові параметри розміщення та кутова швидкість обертального руху спірального вальця. При зростанні кутової швидкості обертання спіралей маса ґрунту, що просіялась на спіральному сепараторі зменшується (рис. ).

Рис. . Зміна маси просіяного грунту з часом при кутовій швидкості спірального вальця 10, 20, 30, 40, 50 рад/с

Оскільки в спіральному сепараторі робочим елементом є пружна консольна спіраль, то необхідно було розглянути коливання прогину поздовжньої вісі при робочому навантаженні. З рівності елементарної потенційної енергії деформації спіралі і елементарної роботи зовнішнього згинального моменту випливає, що момент інерції спіралі є функцією поздовжньої координати і часу

, (10)

де – приведений момент інерції спіралі, - радіус навивки спіралі; - кут підйому гвинтової лінії; - коефіцієнт Пуансона; - кутова координата. Графічне зображення залежності приведеного моменту інерції від поздовжньої координати при діаметрі пружини d мм, кроці навивки s  мм, куті підйому витка  о і обертанні з кутовою швидкістю   рад/с в моменти часу t = 0 с, t = 1 с, t = 2 с по довжині спирали від 0 до 50 мм зображені на рис. .

Рис. . Зміна приведеного моменту інерції перерізу консольної спіралі по довжині

Моделювання поздовжніх коливань спірального вальця в процесі роботи проводилось з використанням диференційного рівняння поперечних коливань Бернуллі-Ейлера. В результаті числового розв'язку даного диференційного рівняння у вигляді суми прогину від вільних коливань спіралі і від дії робочого навантаження (рівномірно розподіленого навантаження) отримано графічні залежності повного прогину вісі спіралі (рис. ).

Отримані аналітичні залежності коливання пружної консольної спіралі дозволяють моделювати динаміку робочого елементу з вибраними конструктивними та кінематичними параметрами при виконанні технологічного процесу виходячи з умов невипадання бульб з сепаруючої поверхні при змінному навантаженні і з врахуванням зміни моменту інерції пружної консолі в часі і по довжині.

Рис. 6. Залежність повного прогину вісі спіралі при кутовій швидкості обертання спіралі ? = 30 рад/с, густині матеріалу спіралі ? = 7700 кг/м3, модулі пружності Е = 2·1011 Па, радіусі прутка  = 8,5 мм при кратності коливань 1 і дії рівномірно розподіленого навантаження 100 кг/м в моменти часу: 1) 0 с; 2) 0,05 с; 3) 0,1 с; 4) 0,15 с; 5) 0,2 с; 6) 0,25 с

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" викладено програму експериментальних досліджень, описано експериментальну установку, наведено методику проведення і обробки результатів експериментальних досліджень.

Програмою проведення експериментальних досліджень передбачалось вивчити характер впливу конструктивних та кінематичних параметрів спірального сепаратора на ефективність та інтенсивність просіювання грунту; встановити оптимальні показники параметрів і режимів роботи спірального сепаруючого робочого органу на основі регресійного і кореляційного аналізу результатів експериментальних даних; провести дослідження та перевірку роботи сепаратора картоплезбиральної машини при оптимальних режимах в польових умовах.

Для проведення експериментальних досліджень спірального сепаратора розроблена і виготовлена експериментальна установка. Лабораторно-польова експериментальна установка (рис. ) складається із копіюючого катка 1, підкопуючого лемеша 2, першого 3 і другого 4 пруткових елеваторів, спірального сепаратора 5, полотна для забору проб на виході із сепаратора 6, полотна для забору проб просіяної маси 7, опорного колеса 8. Конструкція експериментальної установки дозволяла без особливих складностей змінювати фактори у вибраних межах. Привід експериментальної установки для лабораторних досліджень здійснювався від електродвигуна через трансмісію. Електропривід двигуна мав вимірювальні прилади, за допомогою яких мали можливість визначати потужність на привід робочого органу.

Рис. . Конструктивна схема експериментальної установки:

1  копіюючий каток; 2  викопуючий леміш; 3  перший елеватор;

4  другий елеватор; 5  спіральний сепаратор; 6  полотно для взяття проб на виході; 7  полотно для взяття проб просіяного ґрунту;

8  опорне колесо

На основі розгляду літературних джерел і конструктивної схеми дослідного сепаратора встановлено основні фактори, які визначають основні параметри і режими роботи: кут нахилу сепаратора до горизонту    град, колова швидкість обертального руху спіральних вальців   1,81-2,37 м/с, ексцентриситет встановлення спіралей - 0-10 мм, подача матеріалу   15-25 кг/с. За вихідний параметр в лабораторних дослідженнях приймали процент просіяного сепаратором грунту та інтенсивність сепарації.

В польових умовах експериментальна установка використовувалась на збиранні рядка картоплі, а привід здійснювався від валу відбору потужності трактора, з яким агрегатувалась установка. При цьому змінювався лише один параметр – поступальна швидкість руху машини в межах 0,5–1,2 м/с, що є найбільш характерним для збирання картоплі. При цьому показниками якості роботи картоплезбиральної машини приймаються ефективність сепарації , чистота вихідного вороху , пошкоджуваність і втрата бульб.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведені результати експериментального дослідження спірального сепаратора картопляного вороху в лабораторних і польових умовах та обробки отриманих даних.

Згідно прийнятої методики при проведенні лабораторних експериментальних досліджень вивчався вплив кута нахилу сепаратора до горизонту, колової швидкості обертального руху спіралей, ексцентриситету закріплення спіралей і подачі матеріалу на процент просіяного ґрунту (Y1, %) і інтенсивність сепарації (Y2, кг/(с м2)), а такі конструктивні параметри як діаметр спіралі (D  мм), кут підйому гвинтової лінії (?  град), діаметр прутків (dn  мм) визначалися теоретично і приймали їх як сталу величину. При обробці результатів експериментальних досліджень отримано рівняння регресії у вигляді лінійних моделей

.

При аналізі отриманих рівнянь регресії можна зробити висновок, що факторами, які істотно впливають на протікання процесу, є колова швидкість спіралей, ексцентриситет встановлення спіралей і кут нахилу сепаратора. В подальших лабораторних експериментальних дослідженнях було вивчено вплив лише колової швидкості спіралей і кута нахилу сепаратора на процент просіяного ґрунту і інтенсивність сепарації при сталих значення ексцентриситету закріплення спіралей (7 мм) і подачі матеріалу (20 кг/с). По отриманим експериментальним даним проводився багатомірний регресійний аналіз. При дослідженні проценту просіяного ґрунту і інтенсивності сепарації отримані наступні моделі (при ймовірності Р ,95, = ,176) у вигляді багатомірного полінома другої степені

при D ,989, R ,994,

при D ,973, R ,987.

На основі експериментальних даних побудовано графіки залежності проценту просіяного ґрунту та інтенсивності сепарації від кута нахилу сепаратора до горизонту і колової швидкості обертального руху спіралей при постійних значеннях ексцентриситету встановлення вальців і подачі матеріалу у вигляді поверхонь відгуку (рис. ).

а б

Рис. . Залежність проценту просіяного ґрунту (а) і інтенсивності сепарації (б) від кута нахилу сепаратора до горизонту і колової швидкості спіралей

З результатів експериментальних досліджень випливає, що із збільшенням кута нахилу сепаратора до 15 град спостерігається істотне зростання проценту просіяного ґрунту. При подальшому зростанні нахилу спірального робочого органу до горизонту, зміна показника неістотна (майже постійна). При збільшенні колової швидкості спіралей до 2 м/с процент просіяного ґрунту повільно зменшується, а після її досягнення спостерігається значне її зменшення. Зростання інтенсивності сепарації ґрунту під впливом зростаючого кута нахилу сепаратора і зменшення при збільшенні колової швидкості спіралей мають більш плавний характер, порівнюючи з залежністю проценту просіяного ґрунту.

Провівши оптимізаційний розрахунок рівнянь регресії за допомогою метода двомірних перерізів встановили, що для даних умов протікання процесу процент просіяного ґрунту приймає оптимальні значення (тобто прямують до максимуму) при ? ,82 град, V ,74 м/с. Критерій оптимізації (розрахований за допомогою рівняння регресії) в цій точці складає Y1 ,4%. Для інтенсивності сепарації оптимальним кутом нахилу сепаратора до горизонту слід вважати ? ,56 град.

На основі результатів експериментальних даних побудовано номограму для визначення оптимальних значень конструктивних і кінематичних параметрів спірального сепаратора (рис. ).

Рис. . Номограма для визначення параметрів спірального сепаратора

Польові експериментальні дослідження проводилися в сезон збирання картоплі 2000 року сорту "Луговська" з врожайністю близько 10,35 т/га, яка посаджена гребеневим способом з міжряддям 0,7 м на чорноземі при середній вологості 11%, твердості 0,3 МПа і забур'яненості ділянки 4,8 т/га. Режими руху машинного агрегату (тобто його поступальна швидкість) при виконанні технологічного процесу визначались згідно агротехнічних вимог і встановлені 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 км/год (згідно експериментальної перевірки 0,53; 0,67; 0,83; 1,11 м/с або відповідно 1,91; 2,41; 2,99; 4,0 км/год). На кожному режимі проводимо дослідження в трикратній повторності. При цьому значення кінематичних і конструктивних параметрів спірального сепаратора залишаються сталими. Їх ми визначали згідно побудованої номограми при значенні ексцентриситету 7 мм, подачі вороху 83 кг/с. Подачу вороху ми визначали теоретично по відомим формулам при глибині підкопування 27 см, ширині підкопаного пласта 55 см, об'ємній масі вороха – 1300 кг/м3. Провівши відповідні дії з номограмою визначили колову швидкість обертального руху спіралей 3,17 м/с при куті нахилу 5 град. Дана колова швидкість відповідає частоті обертання спіралей 455 об/хв.

Рис. . Залежність чистоти вороху (Ч), ефективності сепарації (Е), втрат (В) та пошкодження бульб (П) від поступальної швидкості руху картоплезбиральної машини (V)

Отримані в результаті експериментальних досліджень дані (рис. ) свідчать, що ефективність сепарації і чистота вихідного вороху при швидкості меншій 0,67 м/с збільшується поступово, а на ділянці 0,67...0,83 м/с спостерігається їх повільне падіння. Наступне збільшення поступальної швидкості руху експериментальної установки приведе до значного зменшення цих показників.

При збільшенні швидкості машини пошкодження бульб зменшується, оскільки на робочі органи поступає більша кількість ґрунту, що сприяє зменшенню контакту бульби з металевою поверхнею очисника (створюється ґрунтових захисний шар) і при швидкості 1,11 м/с складає в середньому близько 3,8%, а втрати бульб картоплі складають 0,68% при швидкості машини 0,67 м/с, а подальше її збільшення, як видно в графічних залежностях, приводить до послідовного їх збільшення і при швидкості руху машини 1,11 м/с складають 2,23%.

Найбільші пошкодження пов'язані з контактною взаємодією бульби з металевими поверхнями робочих органів. Для їх зменшення можливо прогумовувати металеву поверхню.

В п'ятому розділі приведені результати визначення економічної ефективності застосування спірального сепаратора на картоплезбиральній машині. Розрахунковий економічний ефект від використання однорядного картоплекопача із дослідним сепаратором складає 134,21 грн/га на одну машину. При річному завантаження картоплекопача 70 га річний економічний ефект буде 9394,70 грн.

Рекомендації щодо технології збирання картоплі картоплезбиральними машинами з розробленим сепаратором вороху прийняті ВАТ "БОРЕКС" для наступного впровадження у виробництво нової техніки.

Висновки

1. Підвищення якісних показників роботи картоплезбиральних машин можна досягти застосуванням робочих органів, з новими конструктивними рішеннями, що забезпечують ефективну сепарацію при будь-якому стані картопляного вороху. Аналіз існуючих сепараторів показав перспективність робочих органів просіваючого типу за умови зниження залипання просіваючих просвітів сепаруючих елементів ґрунтом, особливо вологим, та намотування рослинних решток на обертові частини.

2. Розроблена нова конструктивно-технологічна схема спірального сепаратора просіваючого типу, яка покращує якісні показники роботи картоплезбиральних машин, оскільки запобігає залипанню вологим ґрунтом елементів робочого органу (шляхом встановлення спіралей із взаємним перекриттям), а підвищення інтенсивності сепарації досягається ексцентричним встановленням спіралей.

3. При аналізі кінематики руху бульби по поверхні спірального сепаратора за умови дотику бульби в двох точках до одної спіралі і в одній точці до іншої встановлено, що при збільшенні кутової швидкості обертання вальців зростає транспортуюча здатність робочого органу, а сепаруюча здатність при цьому дещо зменшується. Розроблено математичну модель взаємодії бульби з поверхнею спірального сепаратора при русі бульби в міжвитковому просторі навивки, яка визначає мінімальне значення кутової швидкості обертання вальців. При русі бульби діаметром 50 мм по поверхні спіралі радіусом 75 мм з прутком навивки діаметром 15 мм при закріпленні спіралей з ексцентриситетом 10 мм для забезпечення ефективного транспортування і очищення необхідно, щоб кутова швидкість обертання вальців була в межах 27...40 рад/с.

4. При розгляді процесу просівання ґрунту на спіральному сепараторі за диференційними рівняниями змінного об'єму і руху тіла змінної маси встановлено, що максимальне значення просівання ґрунту досягається при кутовому параметрі, який відповідає максимальному значенню амплітуди осцилюючого руху. При кроці навивки спіралі   мм, діаметрі спіралі   мм, ексцентриситеті закріплення спіралі   мм, коефіцієнті сепарації  ,5 і нульовому початковому положенні максимальне значення просівання (21,5%) набуває при куті повороту 3,14 рад, тобто при амплітуді осцилюючого руху.

5. Розроблена і реалізована на ПЕОМ нова математична модель коливання пружної консольної спіралі при виконанні технологічного процесу дає можливість отримати аналітичні залежності для перевірки вибраних конструктивних параметрів та режимів роботи стосовно вимог невипадання бульб з сепаруючої поверхні при змінному навантаженні і з врахуванням зміни моменту інерції пружної консолі в часі і по довжині. В результаті аналітичних досліджень встановлено, що прогин спіралі діаметром 133 мм при подачі вороху 80 кг/м складатиме близько 100...140 мм. Збільшення при цьому кроку навивки буде в межах, які допустимі агровимогами.

6. За результатами теоретичних досліджень встановлено, що оптимальними конструктивними параметрами спірального сепаратора, які забезпечують високі показники якості виконання технологічного процесу очищення картопляного вороху, є діаметр спіралі 133 мм, діаметр прутка навивки – 17 мм, крок навивки – 48 мм, перекриття встановлення спіралей – 6...8 мм, мінімальна кількість спіралей – 3, довжина спіралі з розрахунку на один рядок збирання картоплі – 500 мм. Для якісного виконання технологічного процесу необхідно, щоб спіралі оберталися з однаковою кутовою швидкістю в одному напрямку.

7. За результатами лабораторних експериментальних досліджень, які проведені на розробленій експериментальній установці згідно прийнятої методики, отримані математичні моделі впливу конструктивних, кінематичних і технологічних параметрів на процент просіяного ґрунту та інтенсивність сепарації. Методом двомірних перерізів визначено оптимальні параметри сепаратора зі спіралями діаметром 133 мм, при яких досягаються найкращі значення якісних показників роботи для подачі бульбоносної маси 20...25 кг/с і ексцентриситету встановлення спіралей 5...10 мм: колова швидкість обертального руху 1,75...2,0 м/с, кут нахилу сепаратора до горизонту - 15...19 град. Побудовано номограму для визначення основних конструктивних і кінематичних параметрів спірального сепаратора (кута нахилу сепаратора до горизонту, кутової швидкості обертального руху спіралей) залежно від умов експлуатації (стану грунту, подачі вороху).

8. При проведенні польових експериментальних досліджень встановлено, що обладнаний спіральним сепаратором картоплекопач при збиранні картоплі сорту "Луговська" з врожайністю близько 10,35 т/га, яка посаджена гребеневим способом з міжряддям 0,7 м на чорноземі при середній вологості 11%, твердості 0,3 МПа і забур'яненості ділянки 4,8 т/га, забезпечує втрату бульб – близько 1,8% (дрібні бульби, які провалились крізь просіваючі просвіти), пошкодження бульб (переважно пошкодження кірки бульб до 25% поверхні) – до 6,4%, ширина валка бульб – до 0,38...0,418 м. Проведеними спеціальними вимірюваннями встановлено, що при цьому на сепаратор подавався ворох, вмісту складових якого по масі складав: бульби – 43...62%, ґрунтові домішки – 25...40%, рослинні домішки – 11...25%. Результати польових експериментальних досліджень підтверджують високу роботоздатність спірального сепаратора в експлуатаційних умовах.

9. Економічний ефект від використання однорядного картоплекопача із встановленим на нього розробленим сепаратором складає (в цінах на 1.10.2000 р.) 134,21 грн/га, а річний розрахунковий економічний ефект складає 9394,70 грн. на одну машину за умови навантаження близько 70 га.

Результати проведеного дослідження передані в КБ ВАТ "БОРЕКС" і використані при розробці нових картоплезбиральних машин.

список опублікованих праць

1. Смолінський С.В. Щодо питання вдосконалення сепараторів картопляного вороху // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том IV. К.: Видавництво НАУ, 1998, с.187-188.

2. Смолінський С.В. Про теоретичний розрахунок параметрів і режимів роботи спірального сепаратора картопляного вороху // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том VII. К.: Видавництво НАУ, 2000, с.290-293

3. Булгаков В.М., Рогатинський Р.М., Смолінський С.В. Моделювання коливання робочих органів спіральних сепараторів при робочому навантаженні // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том VІІІ. К.: Видавництво НАУ, 2000, с.289-293. (Особистий внесок - складено еквівалентну схему і рівняння руху).

4. Булгаков В.М., Рогатинський Р.М., Смолінський С.В., Іщенко В.В. Визначення кінематичних параметрів взаємодії картоплі із спіральним сепаратором // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том ІХ. К.: Видавництво НАУ, 2000, с.306-311. (Особистий внесок - проведено рішення за допомогою ПЕОМ системи рівнянь руху).

5. Лінник М.К., Булгаков В.М., Козаченко Б.О., Войтюк Д.Г., Іщенко В.В., Смолінський С.В. Сучасний стан та перспективи створення нових машин для збирання картоплі // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. “Механізація сільськогосподарського виробництва”. Випуск 1. Харків, 2000, с.206-213. (Особистий внесок - проаналізовано стан існуючих картоплезбиральних машин).

6. Булгаков В.М., Войтюк Д.Г., Смолинский С.В., Jan Francak, Jan Jech Исследование усовершенствованной конструкции очистителя картофельного вороха // Zbornik z medzinarodej vedeckej konferencie Agrotech-2001. Nitra, Slovtnska republika, 2001, s.73-79. (Особистий внесок - отримано і оброблено результати експериментальних досліджень).

7. Булгаков В.М., Смолінський С.В., Франчак Я., Йех Я. Теоретичне дослідження взаємодій картоплі з поверхнею спірального сепаратора // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том Х. К.: Видавництво НАУ, 2001, с.180-188. (Особистий внесок - складено аналітичні умову руху картоплі по поверхні спірального сепаратора).

8. Булгаков В.М., Смолінський С.В. Теоретичне дослідження просівання грунтової маси картопляного вороху спіральним сепаратором // Сб. науч. трудов Керченского морского технологического института. "Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий". Выпуск 2. Керчь: Издательство КМТИ, 2001, с.91-96. (Особистий внесок - складено диференціальні рівняння змінного об'єму вороху та визначені умови просівання ґрунту).

9. Смолінський С.В. Експериментальне визначення параметрів спірального сепаратора картоплезбиральних машин. // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст., вип. 8. – Луцьк: Ред-вид. відділ ЛДТУ, 2001.- с.265-271.

10. Смолінський С.В. Результати експлуатаційних випробувань та економічна ефективність картоплекопача із вдосконаленим очисником вороху // Сб. науч. трудов Керченского морского технологического института. "Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий". Выпуск 3. Керчь: Издательство КМТИ, 2002, с.258-262.

11. Булгаков В.М., Смолінський С.В. Математична модель руху бульби картоплі по поверхні спірального сепаратора. // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Випуск 8. “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”, Том 1, Харків, 2001, с.321-326. (Особистий внесок - складено система диференціальних рівнянь руху бульби картоплі по поверхні сепаратора).

12. Bulgakov V., Smolinsky S., Plizga K. Theoretical Research on Parameters of Working Bodies in the Spiral Separator of Potato Lots at Working Loading. // Polish Academy Of Sciences Branch In Lublin. Commission Of Motorization and Energetics In Agriculture. Volume 2. Lublin, Poland, 2002, p. 31-34. (Особистий внесок - аналітично визначено зміну моменту інерції спіралі від поздовжньої координати).

13. Смолінський С.В. Аналітичне дослідження процесу сепарації картопляного вороху на спіральному робочому органі // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том ХІ. К.: Видавництво НАУ, 2002, с.317-320.

14. Bulgakov W., Smolinskyy S., Krasowski E., Weselowski M. Bestimung von kinematischen Parametern der Wechselwirkung der Kartoffel mit dem Spiralseparator // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том ХІІ. К.: Видавництво НАУ, 2002, с.112-120. (Особистий внесок - аналітично досліджено взаємодію бульби картоплі з двома поверхнями спіралей).

15. Bulgakov W., Smolinskyy S., Istschenko V., Berezovyy M. Experimentelle Untersuchungen des Spiralseparator des Kartofrfelhaufens // Зб. наук. праць НАУ. "Механізація сільськогосподарського виробництва". Том ХІІ. К.: Видавництво НАУ, 2002, с.239-244. (Особистий внесок - отримано і оброблено результати експериментальних досліджень).

16. Булгаков В.М., Головач І.В., Смолінський С.В., Красовськи Е. Теоретичне дослідження коливання робочих елементів спірального сепаратора при робочому навантаженні // Вісник аграрної науки Причорномор'я, випуск 4, 2002, с.258-267. (Особистий внесок - аналітично досліджено коливання спіралей очисника картопляного вороху).

17. Патент України № 43907 по заявці 98073513, МКИ А 01D 33/08. Очисник вороху коренебульбоплодів від домішок / В.М.Булгаков, Д.Г.Войтюк, П.Ю.Зиков, С.В.Смолінський, М.Г.Березовий, А.Л.Бондаренко (Україна). Опубл. 15.01.2002. Бюл. № 1. (Особистий внесок - розроблено конструкція з трьома спіралями очисника).

18. Патент України № 44822 по заявці 98073508 Україна, МКИ А 01D 19/02. Грудкорозчавлювач картоплезбиральної машини / В.М.Булгаков, Д.Г.Войтюк, П.Ю.Зиков, С.В.Смолінський, М.Г.Березовий, А.Л.Бондаренко (Україна). Опубл. 15.03.2002. Бюл. № 3. (Особистий внесок - розроблено конструкцію, що забезпечує руйнування грудок ґрунту).

Смолінський С.В. Обґрунтування конструкції і параметрів спірального сепаратора картопляного вороху. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва – Національний аграрний університет, Київ, 2002.

Дисертація присвячена питанням підвищення якості сепарації картопляного вороху. На основі аналізу існуючих робочих органів, теоретичних і експериментальних досліджень визначено конструктивну схему та встановлено оптимальні значення параметрів та режимів роботи спірального сепаратора, який дозволяє підвищити якісні показники роботи картоплезбиральної машини в цілому. За результатами досліджень розроблено та виготовлено експериментальний зразок сепаратора, виробнича перевірка якого при роботі на картоплезбиральній машині підтвердила його працездатність та ефективність.

Ключові слова: картопляний ворох, бульба картоплі, сепаратор, спіраль, параметри сепаратора.

Смолинский С.В. Обоснование конструкции и параметров спирального сепаратора картофельного вороха. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства – Национальный аграрный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам повышения качества сепарации картофельного вороха.

В результате анализа существующих конструкций сепараторов картофельного вороха и оценки их работы определена конструкция разработанного рабочего органа. При проведении теоретических исследований построена математическая модель движения клубня картофеля по поверхности спирального сепаратора, рассмотрено колебания спирали при рабочей нагрузке, проведен теоретический анализ процесса сепарации картофельного вороха спиральным сепаратором.

Изложены программа и методика проведения экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях, описана конструкция экспериментальной установки для исследований разработанного