ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ПАНЬКІВ МАРІЯ РОМАНІВНА

УДК 631.358.42

ОБГРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ГВИНТОВО-ЕЛІПСНОГО ОЧИСНИКА БУРЯКОЗБИРАЛЬНИХ МАШИН

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

тернопіль – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа: | доктор технічних наук, доцент

Пилипець Михайло Ількович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри комп’ютерних технологій в машинобудуванні.

доктор технічних наук, професор,

заслужений винахідник України,

Мартиненко Володимир Якимович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри менеджменту підприємницької діяльності;

кандидат технічних наук

Барановський Віктор Миколайович,

Національний аграрний університет, м. Київ,

доцент кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, смт Глеваха, Васильківського району, Київської області. |

Захист відбудеться “12” червня 2003 р. о 16 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56, навчальний корпус 2, ауд. 79.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56, навчальний корпус 2, ауд. 56.

Автореферат розісланий “12” травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Попович П.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з передумов подолання кризової ситуації у сільському господарстві України є подальший розвиток машинобудування, який сприяє зростанню продуктивності праці, підвищенню ефективності виробництва та покращенню якості продукції і вимагає принципово нових підходів до розробки високоефективних прогресивних технологій збирання сільськогосподарської продукції.

Відомі сучасні машини для збирання цукрових буряків задовільно працюють лише на легких незабур’янених ґрунтах, в той час на середніх і важких ґрунтах в умовах підвищеної або зниженої вологості якість їх роботи не відповідає агротехнічним вимогам - загальна кількість домішок у зібраному воросі перевищує 25%. Це пояснюється використанням недосконалих робочих органів для очищення вороху коренеплодів, які недостатньо подрібнюють грудки землі та не відокремлюють її від поверхні тіла коренеплодів, при цьому разом із зібраним урожаєм (250 ц/га) з поля вивозиться близько 3% родючого ґрунту. В сухий період збирання кількість ґрунту, вивезеного з поля разом із коренеплодами, збільшується в 5-10 разів.

Одним із способів підвищення якості очищення коренеплодів цукрових буряків є удосконалення технологічного процесу сепарації домішок шляхом застосування гвинтово-еліпсного очисника за рахунок використання додаткового ефекту осцилюючого руху коренеплодів й домішок на його робочих поверхнях в вертикальній площині відносно їх осьового переміщення.

В зв’язку з цим розробка, удосконалення й дослідження робочих органів коренезбиральних машин для відокремлення домішок від коренеплодів цукрових буряків за їх мінімального пошкодження є актуальною народногосподарською задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка конструкції очисного пристрою та обгрунтування його раціональних конструктивно-кінематичних параметрів проведено відповідно до наукової тематики ТДТУ ім. Івана Пулюя, його підрозділу – кафедри “Технологія машинобудування” № Д 184-2000 і є частиною вирішення важливої науково-технічної проблеми з розробки й впровадження машин для збирання цукрових буряків у рамках цільової комплексної програми “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів від 7 березня 1996 р.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості очищення коренеплодів цукрових буряків шляхом розробки конструкції та вибору раціональних параметрів очисної системи залежно від умов роботи з використанням гвинтово-еліпсного очисника.

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

- на основі проведеного аналізу процесу сепарації вороху цукрових буряків обґрунтувати технологічний процес очищення коренеплодів від домішок й розробити нову конструктивно-технологічну схему очисної системи;

- визначити основні конструктивно-кінематичні параметри роботи гвинтово-еліпсного очисника на основі аналізу характеру руху та взаємодії коренеплодів із робочими поверхнями гвинтово-еліпсного механізму й визначення продуктивності очисника;

- розробити та виготовити дослідний зразок очисника, визначити агротехнічні показники його роботи в лабораторних та польових умовах;

- провести порівняльну оцінку ефективності використання коренезбиральної машини з гвинтово-еліпсним очисником;

- розробити інженерну методику розрахунку основних параметрів гвинтово-еліпсного очисника.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес сепарації коренеплодів цукрових буряків гвинтово-еліпсним очисником та показники якості його роботи.

Предмет дослідження. Гвинтово-еліпсний очисний робочий орган і обґрунтування його параметрів, ворох коренеплодів цукрових буряків.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувались на механіко-математичному моделюванні технологічного процесу сепарації з використанням основних положень вищої математики, теоретичної механіки, теорії машин і механізмів та математичної статистики. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних і польових умовах відповідно на лабораторній установці й модернізованій коренезбиральній машині з використанням загальновідомих методик математичного планування багатофакторних експериментів і проведення випробувань. Теоретичні розрахунки і статистична обробка експериментальних даних проводились з використанням прикладних програм ПК.

Наукова новизна одержаних результатів. Обґрунтовано технологічний процес сепарації вороху цукрових буряків і основні конструктивно-кінематичні параметри гвинтово-еліпсного очисника на основі аналізу його розрахункової продуктивності та дослідження характеру співудару коренеплодів із робочими поверхнями очисника. На цій підставі вперше одержано: математичну модель залежності зміни відносної швидкості та швидкості нормального зближення коренеплоду від кутових параметрів вальця; аналітичні залежності для визначення граничних меж кутової швидкості обертання еліпсних вальців. Одержано емпіричні залежності регресійних рівнянь, що характеризують зміну забрудненості, втрат і пошкодження коренеплодів цукрових буряків, відповідно від усередненого діаметра, зазору між гвинтовими еліпсними вальцями та вологості ґрунту. Розроблено інженерну методику розрахунку основних параметрів очисника.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано і експериментально обґрунтовано принципово нову конструкцію очисної системи вороху цукрових буряків та визначено основні раціональні конструктивно-кінематичні параметри гвинтово-еліпсного очисника. На основі проведеного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень розроблено та виготовлено дослідний зразок очисної системи бурякозбиральної машини. За результатами експерименту виведено рівняння регресії ступеня забрудненості, втрат і пошкоджень коренеплодів від усередненого діаметра та зазору між еліпсними вальцями і вологості ґрунту. Запропоновано рекомендації для вибору раціональних параметрів розробленої очисної системи. Результати агротехнічної оцінки модернізованої машини, проведеної Львівською Державною зональною машиновипробувальною станцією, підтвердили ефективність функціювання гвинтово-еліпсного очисника в порівнянні з базовою машиною. Результати досліджень використовуються СКБ ВАТ “ТеКЗ” і впроваджені в конструкціях причіпних коренезбиральних машин МКП-4, МКП-6, площа впровадження – 75 га. Конструктивна новизна технічного рішення підтверджена патентами України на винахід № № 39356А, 49468А.

Особистий внесок здобувача. Запропоновано конструктивно-технологічну схему очисної системи з використанням гвинтових еліпсних вальців, осі обертання яких розташовані по лінії малої осі півеліпса. Обґрунтовано конструктивно-кінематичні параметри гвинтово-еліпсного очисника, при цьому вперше: побудовано математичну модель залежності зміни відносної швидкості та швидкості нормального зближення коренеплоду від кутових параметрів вальця; одержано аналітичні залежності для визначення продуктивності та граничних меж зміни кутової швидкості обертання еліпсних вальців очисника. Отримано регресійні залежності ступеня втрат, пошкодження і забрудненості коренеплодів від конструктивних параметрів робочого органу та вологості ґрунту. Розроблено інженерну методику розрахунку основних параметрів гвинтово-еліпсного очисника. Основні результати роботи отримані автором самостійно; постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій. В технічних рішеннях частка всіх співавторів однакова.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати досліджень доповідалися та обговорювалися на наук.-практ. конф. проф.-викл. складу ТДТУ імені Івана Пулюя (Тернопіль, 1996 – 2001рр.); на наук.-практ. конф., присвяченій 100 річчю від дня заснування Національного аграрного університету (м. Київ, 1998р.); на наук.-практ. конф. ЛДТУ (Луцьк, 2000р.); на засіданні наук.-техн. ради СКБ ВАТ “ТеКЗ” (Тернопіль, 2000р.); на 2-ій міжн. наук.-практ. конф. “Сучасні проблеми землеробської механіки”, (Луцьк, 2001р.); на наук.-практ. конф., присвяченій 1-ій річниці від дня заснування Бережанського агротехнічного інституту “Аграрна реформа: здобутки і проблеми” (Бережани, 2001р.); на І-ій міжн. наук.-практ. конф. „Проблеми застосування технологій точного землеробства в АПК” (м. Київ, НАУ, 2002 р.). на розширеному засіданні відділу механізованого виробництва коренебульбоплодів і овочів ННЦ „ІМЕСГ” УААН, (смт. Глеваха, Київська обл., 2003р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових праць у фахових виданнях, основні результати викладені в 10 працях, в тому числі в 2 патентах України на винахід. Три наукові статті є одноосібними.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 147 найменувань та 40 додатків. Основна частина виконана на 160 сторінках, містить 54 рисунки і 13 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 235 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, викладено мету, об’єкт, предмет, методи та задачі досліджень, які розв’язуються в роботі, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено класифікацію очисних робочих органів коренезбиральних машин, проведено аналіз роботи різних типів конструкцій робочих органів і обґрунтовано вибір робочого органу для досліджень.

Дослідженню технологічних процесів і робочих органів сепарації вороху коренеплодів із визначенням їх конструктивно-кінематичних параметрів присвячені праці видатних вчених П.М. Василенка, Л.В. Погорілого, В.М. Булгакова, Б.М. Гевка, Б.П. Шабельника. Вагомі результати в розробку та удосконалення очисних робочих органів коренезбиральних машин внесли також науковці Р.М. Рогатинський, Р.Б. Гевко, В.Я.Мартиненко, В.М. Барановський, В.П. Вергейчик, А.К. Сарапулов та ін.

Аналіз роботи відомих очисних систем коренезбиральних машин показав, що найвищу сепаруючу та грудкоруйнуючу здатність за мінімальних пошкоджень коренеплодів в порівнянні з іншими робочими органами, забезпечують гвинтово-еліпсні очисники за рахунок ефекту додаткового осцилюючого руху вороху по очисних поверхнях еліпсних вальців. Основою для подальшого виконання досліджень є виявлення потенційних можливостей нового очисника та визначення раціональних параметрів його роботи.

У другому розділі проведено теоретичне обгрунтування раціональних конструктивно-кінематичних параметрів гвинтово-еліпсного очисника очисної системи (рис.1), яка складається з завантажувального транспортера 1, гірки 2, в нижній частині якої розміщено транспортуючо-очисні органи 6, 7, 8, які утворюють гвинтово-еліпсний очисник, змонтований у вигляді системи еліпсних вальців, транспортне русло яких утворене жолобом у вигляді півеліпса радіусом А двома парами вальців 6, 7, між якими встановлено гладкий циліндричний валець 8.

Одним із важливих задач визначення кінематичного режиму очищення коренеплодів від домішок є встановлення раціональних параметрів руху коренеплоду на етапах його переміщення вздовж елементів очисної системи. Під час падіння коренеплоду на гірку з врахуванням початкового напрямку його руху визначено середні значення проекцій швидкості коренеплоду до зіткнення на координатні осі (рис.2):

(1)

де - відповідно нормальна та тангенційні складові швидкості, м/с; - початкова швидкість коренеплоду, м/с; ,- відповідно кут нахилу траєкторії польоту коренеплоду та гірки, град.

Після контактної взаємодії коренеплід відскакує від полотна, набувши нових значень складових лінійних і кутових швидкостей обертання, при цьому визначено проекції нормальної складової швидкості коренеплоду після зворотного повороту системи в початковий стан:

(2)

де - коефіцієнт відновлення швидкості; - проекції вектора кутової швидкості обертання коренеплоду , рад/с; - радіус коренеплоду, м.

На основі аналізу результатів комп’ютерного розв’язку рівнянь (2) визначено діапазон зміни середніх значень швидкостей співудару коренеплоду (0,9-1,8 м/с) після контакту з полотном гірки від втрати його кутової швидкості .

Після відскоку від гірки коренеплід знаходиться у вільному польоті. Його початкова швидкість згідно (2) має складові . Значення складових швидкості в момент зіткнення коренеплоду з рифом вальця залежить від сили тяжіння (заданих параметрів зони зміщення за висотою ) та довжиною , яка регулюється взаємним розміщенням транспортера та першого еліпсного вальця

; . (3)

В процесі скочування коренеплоду його швидкість частково гаситься втратами на тертя, при цьому , яку має вільно падаючий коренеплід. З умови непошкодження коренеплодів вибрано випадок, коли швидкість коренеплоду =. Коренеплід, перед взаємодією з рифом вальця очисника (рис.3), зовнішня заокруглена частина якого являє собою частину циліндричної поверхні, вісь якої є гвинтовою лінією, має певну швидкість

, (4)

де - відповідні одиничні вектори швидкостей, при цьому гвинтову вісь в параметричній формі описано рівняннями

(5)

де , - відповідно радіус і крок вальця, м; - кутовий параметр гвинтової лінії; - початкове значення параметру , що відповідає куту перетину гвинтової лінії з площиною .

Оскільки вальці обертаються з кутовою швидкістю , то параметр змінюється в часі, тобто . Перший валець обертається в напрямку гірки, в системі координат його кутова швидкість від’ємна, тобто .

Якщо розглянути проекцію гвинтової лінії (вісі) на площину (рис.4), то кожна точка поверхні з кутовим параметром гвинтової лінії в даний момент часу має колове розміщення і визначається координатами

; , (6)

де - кутовий параметр поверхні, що вказує на розміщення довільної точки профілю в нормальному перерізі; - початковий кут виміру параметру ; - кут, що враховує кручення осі профілю в просторовому розміщенні.

В момент контакту центр ваги коренеплоду, центральна частина якого являє собою сферу радіусом , знаходиться на нормалі до поверхні рифа в точці контакту . Визначено швидкість точки в місці контакту

(7)

де ,- радіус заокруглення і висота рифа до центра радіуса заокруглення, м.

Звідси умова контакту з рифом полягає в тому, що коренеплід знаходиться на віддалі від осі гвинтової лінії, а кутові параметри та точки контакту Е - в певних межах: та . Крім цього, контакт в напрямку осі забезпечується відповідним поворотом вальця в часі.

Визначено відносну швидкість точки контакту коренеплоду з рифом вальця, при цьому траєкторія падіння коренеплоду на риф вальця направлена під кутом до горизонту.

(8)

Швидкість зближення коренеплоду із рифом, яка направлена по нормалі, проведеної до точки контакту визначено за формулою

(9)

Залежності зміни , від кутових параметрів , , точки контакту наведені на рис.5, 6. Аналіз наведених залежностей показує, що зміна відносних швидкостей має косинусоїдальний характер і збільшується зі збільшенням кутових параметрів – максимальне значення досягається для кутових параметрів близьких до /2 і не перевищує 2,0м/с.

Для встановлення аналітичного взаємозв’язку між конструктивно-кінематичними параметрами гвинтово-еліпсного очисника проведено дослідження його розрахункової продуктивності, при цьому кутову швидкість обертання і усереднений діаметр еліпсних вальців визначали з умови заданої необхідної продуктивності еліпсного гвинтового конвеєра.

Для забезпечення нормального режиму роботи гвинтово-еліпсного очисника необхідно виконання умов:

,

де ,- відповідно продуктивність очисника та гвинтового конвеєра, м3/с; ,- відповідно кількість вороху, що надходить із підкопуючих робочих органів коренезбиральної машини до очисника та до еліпсного гвинтового конвеєра, м3/с; - коефіцієнт сепарації вороху на шляху його переміщення до гвинтового конвеєра.

Тоді з врахуванням (10) продуктивність гвинтово-еліпсного очисника дорівнює:

, )

де - площа поперечного перерізу вороху, який заповнює робочий простір гвинта, м2; - поступальна швидкість переміщення вороху рифами вальців, м/с; - коефіцієнт зниження поступальної швидкості переміщення вороху порівняно з теоретичною осьовою швидкістю вальців; - коефіцієнт заповнення міжвиткового простору гвинта.

Визначено продуктивність еліпсного гвинтового конвеєра з врахуванням конструктивних особливостей очисника

, )

де , - загальна площа поперечного перерізу відповідно очисника та гвинтового конвеєра, який заповнюється ворохом, м3.

Після визначення складових формули (12) , , , отримано аналітичну залежність максимальної продуктивності гвинтово-еліпсного очисника, яка відповідає максимальному значенню коефіцієнта заповнення корисного простору жолоба робочого русла очисника:

,(13)

де - радіус півеліпса, м; ,,- відповідно усереднений діаметр труби; крок, м; кутова швидкість обертання еліпсного вальця, рад/с; - зазор між валами, м; - коефіцієнт, який враховує об’єм, що займають рифи вальців.

Дійсне значення рівне, або менше максимально допустимій продуктивності очисника, яка з часом змінюється внаслідок нерівномірності надходження вороху з підкопуючих робочих органів коренезбиральної машини та його сепарації за час переміщення до гвинтово-еліпсного очисника, і відповідно, з непостійним коефіцієнтом заповнення корисного простору жолоба робочого русла.

Верхню межу кутової швидкості обертання еліпсних вальців розглянуто з умови допустимої швидкості співудару коренеплодів з елементами робочих поверхонь очисника, яка впливає на допустимі пошкодження цукрових буряків. Коренеплід масою з завантажувального транспортера надходить на очисну пальчикову гірку 1, швидкість руху робочого полотна якої дорівнює , і під дією сили тяжіння mg скочується вниз із швидкістю , долаючи при цьому силу тертя тіла коренеплоду до поверхні полотна гірки (рис.7). При зустрічі з рифом еліпсного вальця 2, кутова швидкість обертання якого дорівнює , коренеплід взаємодіє з поверхнею вальця, результуюча швидкістю якого . Таким чином, взаємодію коренеплоду з гвинтовою еліпсною поверхнею розглядали з точки зору ударної взаємодії поверхні тіла коренеплоду з рифом вальця. Вважали, що коренеплід взаємодіє з робочою поверхнею круглого перерізу спіральних вальців, зовнішній діаметр яких приблизно відповідає усередненому діаметру еліпсних вальців гвинтово-еліпсного очисника.

Тоді верхню допустиму межу кутової швидкості обертання еліпсного вальця визначено виходячи з умови, що результуюча (сумарна) швидкість співудару коренеплоду (ударної дії на коренеплід) не повинна перевищувати максимально допустимої швидкості співудару , за якої коренеплоди не отримують пошкоджень, що не перевищують межу вихідних вимог (рис.8).

В зв’язку з цим

, (14)

при цьому визначено

; 15)

, 16)

де ,- відповідно, кут нахилу поверхні співудару (гвинтової лінії) та кут встановлення гірки до горизонту, град.

Аналіз косого співудару коренеплоду з рифом показує, що нормальна складова ударного імпульсу викликає деформацію стиснення поверхні тіла коренеплоду, результатом якої є, як правило, поява тріщин, порушення клітинної структури й в гіршому випадку – розколювання коренеплодів. Дотичний ударний імпульс викликає фрикційну взаємодію коренеплоду з поверхнею рифа, результатом якої є обдирання шкірки поверхні тіла коренеплоду. Тому, ввели обмеження, що основні пошкодження коренеплодів при їх співударі з рифом еліпсного вальця виникають за дії нормальної складової сумарної результуючої швидкості співудару, при цьому її значення не повинно перевищувати допустимої результуючої сумарної швидкості співудару при прямому центральному ударі, тобто:

. (17)

Із виразів (14), (15) і (17) визначено результуючу швидкість еліпсного вальця

. (18)

З врахуванням (17) і (18) визначено максимально допустиму кутову швидкість обертання еліпсного вальця гвинтово-еліпсного очисника

, (19)

де - кут тертя ковзання коренеплоду по гвинтовій поверхні, град.

Аналіз залежностей кутової швидкості обертання еліпсного вальця від його усередненого діаметра , яка розрахована згідно рівняння (19) для прийнятих значень  ,5м/с;  ,2м/с;  ;  ,6м/с і  ,5 (рис.9) показує, що збільшення приводить до суттєвого зменшення його допустимої максимальної кутової швидкості обертання, зміна якої характеризується гіперболічною залежністю. Для кроку вальця Т ,25м (крива 3) його кутова швидкість обертання зменшується із 28,3рад/с (= ,1м) до 15,0рад/с (= ,16м).

При подальшому збільшенні діаметра еліпсних вальців зменшення незначне: коли = ,18м – 14,8рад/с; = ,2м – 13,2рад/с. Крім того, для діаметра гвинта більшого за 0,16м зміна кроку гвинта в межах 0,15  ,3м суттєво не впливає на зменшення кутової швидкості обертання. Так при Т = ,15м -  ,3рад/с (крива 1), а при Т ,25м -  ,8рад/с (крива 3) для = ,18м, тобто зменшення незначне. Таким чином, для еліпсного вальця, усереднений діаметр якого  ,18м, верхня межа кутової швидкості обертання вальця знаходиться в межах  ,0  ,0рад/с для  ,2м/с та  . Ці межі максимально-допустимі й за яких можна очікувати, що механічні пошкодження коренеплодів не перевищують регламентовані значення вихідних вимог.

Мінімально допустиму кутову швидкість обертання еліпсного вальця визначено із необхідної продуктивності очисника, яка не допускає “згружування” вороху на очиснику, при цьому чисельний розв’язок (20) дозволив визначити нижню межу кутової швидкості обертання еліпсних вальців  ,3рад/с ( ,3) і  ,5рад/с ( ,5) для значення їх усередненого діаметра  ,18м,

Із рівняння (13) одержано:

.(20)

Для характерних умов роботи коренезбиральної машини та встановленої допустимої верхньої межі кутової швидкості обертання еліпсного вальця визначено максимальну продуктивність гвинтово-еліпсного очисника , при цьому  ,3; 0,5; 0,7;  = ,0  ,0 рад/с. Після відповідних перетворень виразів (13), (19) отримано:

(21)

На рис.10 наведено залежність максимально можливої продуктивності гвинтово-еліпсного очисника від усередненого діаметра еліпсного вальця, яка розрахована згідно отриманої аналітичної залежності (21).

Коли коефіцієнт сепарації вороху = 0,5, максимальна продуктивність забезпечується при > 0,15м і кутовій швидкості обертання еліпсних вальців ? 15,0 рад/с при фіксованих інших основних конструктивно – кінематичних параметрів гвинтово-еліпсного очисника, тобто кроку вальця Т = 0,25м; висоти рифа еліпсного вальця Н = 0,03м; коефіцієнта заповнення 0,8; радіуса півеліпса 0,59м.

Таким чином, в результаті теоретичного аналізу для лабораторно-експериментальних досліджень були прийняті такі основні межі параметрів гвинтово-еліпсного очисника: зовнішній усереднений діаметр еліпсних вальців – 0,1 - 0,2м; кутова швидкість обертання вальців 10,0 - 17,0рад/с; зазор між валами – 0,035 - 0,065м.

В третьому розділі наведено програму експериментальних досліджень очисника з використанням стандартних та спеціально розроблених методик. Описано розроблені установки для проведення лабораторних та польових досліджень.

Програма експериментальних досліджень передбачала проведення: лабораторних досліджень втрат, пошкодження, забрудненості коренеплодів на очисній системі залежно від конструктивних параметрів очисника; польових досліджень для визначення основних агротехнічних показників якості роботи гвинтово-еліпсного очисника, встановленого на коренезбиральну машину МКП-6, залежно від зміни вологості грунту; порівняльної ефективності використання вдосконаленої та базової машин.

Для проведення експериментальних досліджень виготовлено лабораторну установку очисної системи (рис.11). Радіус півеліпса, за яким розташовували осі обертання та зазор між валами еліпсних вальців 5, які утворювали робоче русло очисника, регулювали переустановлення демонтажних боковин. Передача руху робочих органів експерименттальної очисної системи здійснювалася від приводного електродвигуна 1 до двох гідронасосів станції 15, які приводили в рух гідромотори 8, 10, при цьому кутові швидкості обертання еліпсних вальців, приводних валів очисної гірки 6 і завантажувального транспортера 3 змінювали за допомогою відповідної подачі кількості робочої рідини з масляного бака 2 через гідравлічні дроселі 13 і 14.

З метою оптимізації параметрів роботи гвинтово-еліпсного очисника використано стандартні математично-статистичні методи та комп’ютерні програми планування та обробки результатів проведення багатофакторних експериментів для отримання в кінцевому результаті емпіричних регресійних залежностей.

Для проведення експериментальних польових і порівняльних досліджень гвинтово-еліпсного очисника був використаний дослідний зразок коренезбиральної машини МКП-6, яку розроблено в СКБ ВАТ “ТеКЗ” і обладнано розробленим гвинтово-еліпсним очисником.

В четвертому розділі наведено результати експериментальних лабораторно-польових досліджень гвинтово-еліпсного очисника: залежності втрат, пошкодження й забруднення коренеплодів від усередненого діаметра еліпсних вальців і величини зазору між валами та вологості грунту , порівняльних випробувань модернізованої та серійної машин.

На основі експериментальних даних, проведеного ПФЕ 32, одержано рівняння регресії в натуральних величинах, які характеризують зміну втрат, пошкодження й забруднення коренеплодів залежно від зміни усередненого діаметра і величини зазору між валами:

(22)

(23)

(24)

Аналіз рівнянь регресії показує, що факторами, які істотно впливають на параметри оптимізації є: втрати й забруднення коренеплодів - зазор між валами ; пошкодження – усереднений діаметр еліпсних вальців і зазор між валами .

Згідно рівнянь (22, 23, 24) побудовано поверхні відгуку втрат (а), пошкодження (б), забрудненості (в) коренеплодів залежно від усередненого діаметра еліпсних вальців і зазору між валами (рис.12).

Аналіз поверхонь відгуку параметрів оптимізації показує, що із збільшенням усередненого діаметра еліпсних вальців втрати (рис.12а) і забруднення (рис.12в) коренеплодів значно зменшуються, відповідно від 2,6 і 4,0% ( ,1м) до 1,1 і 2,1% ( ,2м) та від 9,8 і 8,4% ( = 0,1м) до 7,9 і 6,3% ( = 0,2м), а пошкодження (рис.12б) коренеплодів збільшуються - від 3,1 і 3,7% ( = 0,1м) до 3,9 і 4,7% ( = 0,2м) при відповідних зазорах між валами = 0,04 і 0,045(м), та = 0,042 і 0,047(м). Із збільшенням зазору між валами від 0,035 до 0,042м спостерігається поступове зростання втрат і пошкодження коренеплодів, відповідно від 0,7 і 2,9% (= 0,035м) до 1,45 і 3,3% (= 0,042м) та поступове зменшення відсотка забруднення коренеплодів – від 11,1% (= ,035м) до 7,1% ( = 0,042м) при = 0,2м. Подальше збільшення зазору між валами, веде до істотного приросту параметрів оптимізації і – при = 0,045м втрати коренеплодів значно перевищують допустиму межу - до1,5% згідно вихідних вимог, а пошкодження коренеплодів становлять 4,6%, при = 0,055м - 7,9%. Із подальшим збільшенням зазору між валами спостерігається значне зменшення забруднення коренеплодів – для = 0,04м забруднення становить 6,3%, а для = 0,06м - 4,5%.

Оптимізаційним розрахунком рівнянь регресії методом двомірних перерізів встановлено, що відсоток втрат, пошкодження, забруднення коренеплодів набуває мінімальних значень, при = 0,18м, = 0,035м (критерії оптимізації, розраховані при рішенні рівнянь регресії в цій точці, відповідно складають 1,1; 3,47; 8,5%); не перевищує максимально допустимого значення (20% і 9%) при зміні факторів в межах реалізації плану – відповідно, 0,1 0,2 (м), 0,035 0,06 (м) та 0,1 0,2(м), 0,035(м) і = 15,7 рад/с. Але, значення 0,045м і 0,15м приймати неможливо, тому, що в випадку для 0,045м спостерігаються значні втрати кондиційних коренеплодів ( 1,5%), а в другому – не забезпечується необхідна розрахункова продуктивність очисника згідно теоретичних досліджень.

Для встановлення взаємозв’язку впливу вологості ґрунту на агротехнічні показники роботи (втрати, забруднення та пошкодження) провели польові експериментальні дослідження коренезбиральної машини МКП-6, яку було обладнано гвинтово-еліпсним очисником, конструктивно-технологічна схема якої наведена на рис.13.

За результатами досліджень побудовано емпіричні та теоретичні лінії регресій (рис.14), що відображають зв'язок між втратами, забрудненням, пошкодженнями коренеплодів і вологістю грунту.

Польові випробування модернізованої коренезбиральної машини МКП-6 проводились на Львівській Державній зональній машинно-випробувальній станції в порівнянні з базовою машиною МКП-6. Із порівняльного аналізу показників якості виконання технологічного процесу видно, що застосування розробленого гвинтово-еліпсного очисника на серійній коренезбиральній машині МКП-6 дозволяє значно покращити агротехнічні показники процесу збирання цукрових буряків – втрати, забрудненість і пошкодження коренеплодів в порівнянні з базовою коренезбиральною машиною. Так, втрати коренеплодів на поверхні ґрунту зменшуються в 2,4 рази, за рахунок виконання робочої поверхні очисника в вигляді жолоба, який утворює русло на відміну від горизонтальної площини серійної машини. Загальна кількість домішок в воросі зібраних коренеплодів зменшується із 9,5% для серійної машини до 4,7%, тобто в 2 рази, при цьому кількість налиплої землі на коренеплодах становить 0,4% тоді як у базової машини цей показник дорівнює 1,9%. Зменшення загальної кількості домішок в воросі коренеплодів, в тому числі кількості налиплої землі на поверхні тіла коренеплодів в 4,75 рази відбувається тому, що в процесі транспортування вороху по жолобу русла очисника, коренеплоди отримують додатковий осцилюючий вертикальний рух вздовж осей обертання очисних вальців, при цьому поверхня тіла кореня інтенсивно очищується від налиплої землі, а домішки просіюються в зазор між вальцями.

На основі проведеного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень вибрано раціональні конструктивно-кінематичні параметри робочого органу гвинтово-еліпсного очисника: кутова швидкість обертання еліпсних вальців  ,7рад/с; усереднений діаметр еліпсних вальців = ,16  ,18м; зазор між валами  ,03  ,047м; крок рифа Т = 0,25м; висота рифа Н = ,03м; радіус півеліпса  ,55  ,65м. Отримані параметри є задовільними в першу чергу з точки зору узгодження допустимих втрат і пошкодження коренеплодів і забезпечення виробничої продуктивності коренезбиральної машини за допустимого рівня забрудненості коренеплодів домішками.

В п’ятому розділі наведено інженерний та економічний розрахунки гвинтово-еліпсного сепаруючого робочого органу, методику розрахунку раціональних параметрів очисника та їх рекомендовані значення, перспективні напрямки вдосконалення очисника та визначено економічну ефективність його використання. Розрахований економічний ефект від покращення процесу сепарації розробленими очисними робочими органами складає 31,43 грн/га.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вперше вирішено наукову задачу підвищення показників якості очищення коренеплодів цукрових буряків від домішок шляхом розробки і обґрунтування параметрів гвинтово-еліпсного очисника.

Технологічний процес очищення вороху цукрових буряків із застосуванням традиційних шнекових і турбінних очисників не забезпечує ефективної сепарації і не відповідає вихідним вимогам - за високої вологості шнеки залипають ґрунтом і втрачають працездатність; турбінні очисники - ефективно працюють лише при великих кутах нахилу роторних турбін, що значно обмежує їх застосування. Вдосконалення технологічного процесу очищення вороху буряків від домішок без розробки нових конструктивних схем практично вичерпало себе в забезпечені підвищення якості очищення коренеплодів.

2. Підвищення якості роботи очисних систем коренезбиральних машин досягається інтенсифікацією дії на ворох активних еліпсних робочих органів за рахунок забезпечення додаткового вертикального осцилюючого руху коренеплодів вздовж русла гвинтово-еліпсного очисника з раціональними його конструктивними параметрами і кінематичними режимами. При цьому загальна кількість домішок у воросі зібраних коренеплодів складає 4,7%, в тому числі вільного ґрунту – 1,2%, рослинних решток – 2,2% при вихідних вимогах не більше 9,0; 1,5 і 2,5%, відповідно.

3. Вперше виведено аналітичні залежності для визначення зміни відносної швидкості і швидкості нормального зближення коренеплодів з робочими поверхнями еліпсних вальців від зміни їх кутових параметрів, що дало можливість теоретично визначити ударні контактні напруження та силу удару, при цьому максимальні значення швидкостей досягаються при кутових параметрах близьких до 90 і не перевищують 2,0 м/с. Змодельований процес руху коренеплодів в очисній системі дозволив визначити нормальну складову швидкості співудару коренеплодів в момент переходу з очисної гірки на гвинтово-еліпсний очисник, яка не повинна перевищувати межу допустимої швидкості співудару за умови непошкодження коренеплодів.

4. Пошкодження коренеплодів цукрових буряків в основному залежать від нормальної складової сумарної результуючої швидкості співудару коренеплодів з робочими поверхнями еліпсного вальця, яка повинна знаходитися в межах 3,7  ,3 м/с для усередненого діаметра гвинта 0,1 ?  ? ,2(м) та встановленій межі допустимої швидкості співудару 3,5 м/с.

5. Межі зміни кутової швидкості обертання еліпсних вальців регламентуються допустимою швидкістю співудару коренеплодів з гвинтовою еліпсною поверхнею і забезпеченням продуктивності очисника та становлять 12,5 – 17,0 рад/с для коефіцієнта сепарації вороху = 0,5; поступальної швидкості руху машини 2,0 м/с; максимального значення коефіцієнта заповнення робочого простору жолоба очисника = 0,8; швидкості руху полотна очисної гірки 1,2 м/с та її кута нахилу до горизонту 55 і усередненого діаметра вальців 0,18 м.

6. Максимальна продуктивність гвинтово-еліпсного очисника забезпечує продуктивність викопувальної частини коренезбиральної машини з коефіцієнтом сепарації вороху = 0,5; > 0,15 м; кутовою швидкістю обертання еліпсних вальців ? 15,0 рад/с за таких параметрів: кроку вальця Т = 0,25 м; висоти рифа Н = 0,03 м; = 0,8; радіуса півеліпса = 0,59 м.

7. В результаті проведення повнофакторного експерименту отримано регресійні рівняння залежностей втрат, пошкоджень і забрудненості вороху коренеплодів, якими встановлено, що в діапазоні зміни факторів 0,1  ,2(м), 0,035 h 0,06(м) більший вплив на параметри оптимізації має величина зазору h між еліпсними валами, при цьому, на основі аналізу поверхонь відгуку та їх двомірного перерізу підтверджено раціональні межі конструктивних параметрів очисника: усереднений діаметр еліпсних вальців  ,16…0,18м; зазор між валами h = 0,045-0,047м; крок рифа Т = 0,25м; висота рифа Н = ,03м; радіус півеліпса = 0,55-0,65м з кутовою швидкістю обертання еліпсних вальців = 15,7рад/с.

8. За результатами польових досліджень встановлено, що агротехнічні показники якості виконання технологічного процесу модернізованої машини – пошкодження й забрудненість вороху коренеплодів знаходяться в межах вихідних вимог при вологості грунту від 14,0 до 26,0%; при цьому пошкодження становлять 3,1  ,7%; забруднення – 4,5  ,1%; втрати – 0,7  ,5%. Застосування гвинтово-еліпсного очисника вороху цукрових буряків раціональніше в умовах підвищеної вологості грунту, за якої робота серійних машин незадовільна. порівняно з серійною машиною розроблений очисник забезпечує зниження загальної кількості домішок в 2 рази, в тому числі налиплого ґрунту на коренеплодах в 4,75 рази.

9. Приведено методику розрахунку основних раціональних конструктивно-кінематичних параметрів гвинтово-еліпсного очисника та рекомендовано раціональні дані для їх вибору, технічна новизна якого підтверджена патентами України на винаходи. Економічний ефект від зниження забруднення та зменшення втрат коренеплодів становить 31,4 грн./га. Результати досліджень використовуються СКБ ВАТ “ТеКЗ” і впроваджені в конструкціях причіпних коренезбиральних машин МКП-4, МКП-6, площа впровадження становить 75 га.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Паньків М.Р. Транспортно-сепаруючі робочі органи бурякозбиральних машин // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст., вип. 7.- Ред.-вид. відділ ЛДТУ, Луцьк, 2000.- С. 108-115.

2. Паньків М.Р. Результати експериментальних досліджень кулачкових очисних робочих органів бурякозбиральних комплексів // Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямом “Інженерна механіка”)-Луцьк: ЛДТУ,- 2001.- С. 204-211.

3. Паньків М.Р. Теоретичні передумови переміщення коренеплодів транспортерами // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2001. – Т.6, №3. – С. 79-83.

4. Паньків М.Р., Гевко І.Б. Експериментальні дослідження сепарації вороху коренеплодів кулачково-вальцьовим очисником // Наук. вісник Національного аграрного університету. Вип. 49, - 2002. – С. 253-262. (Особистий внесок – одержала емпіричні залежності регресійних рівнянь і поверхонь відгуку, що характеризують зміну забрудненості, втрат і пошкодження коренеплодів цукрових буряків від усередненого діаметра та зазору між гвинтовими еліпсними вальцями).

5. Паньків М.Р., Гевко І.Б. Кінематичний режим роботи гвинтово-еліпсного сепаратора // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип.17, - 2003. – С.197-203. (Особистий внесок – вперше одержала математичну модель залежності зміни відносної швидкості та швидкості нормального зближення коренеплоду від кутових параметрів вальця).

6. Пилипець М.І., Гевко І.Б., Паньків М.Р. Визначення кінематичних і технологічних параметрів кулачкових транспортно-технологічних систем машин // Вісник Тернопільського державного технічного університету. 2000. – Т.5, №4. С. 70-77. (Особистий внесок – запропонувала методику розрахунку основних параметрів очисника).

7. Пилипець М.І., Гевко І.Б., Паньків М.Р., Вивюрка Н.Є. Дослідження очисників-сортувальників створених на основі профільних навитих заготовок // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст., вип. 8. Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2001.- С. 197-204. (Особистий внесок – запропонувала технологічну схему очисника-сортувальника вороху).

8. Пат. № 39356А Україна, МПК A 01D 33/08. Очисний пристрій коренезбиральної машини / Пилипець М.І., Паньків М.Р. Опубл. 15.06.01. Бюл. № 5. – 3 с. (Особистий внесок – запропонувала конструктивну схему робочого органу гвинтово-вальцьового очисника вороху).

9. Пат. № 49468А Україна, МПК А 01D 33/08. Шнековий очисник-сортувальник. / Гевко І.Б., Паньків М.Р., Вивюрка Н.Є. Опубл. 16.09.02. Бюл. № . – 3 с. (Особистий внесок – запропонувала конструктивну схему подальшого удосконалення очисника вороху).

10. Паньків М.Р. Визначення продуктивності гвинтово-еліпсного очисника // Тези сьомої наук. конференції Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (м. Тернопіль, 22-24 квітня 2003р.), Тернопіль ТДТУ, 2003. С. 43.

АНОТАЦІЯ

Паньків М.Р Обгрунтування конструктивно-технологічних параметрів гвинтово-еліпсного очисника бурякозбиральних машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2003.

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі покращення якості очищення коренеплодів цукрових буряків від домішок шляхом розробки конструкції гвинтово-еліпсного робочого органу, виконаного у вигляді системи поздовжніх еліпсних вальців, розміщених по малій осі півеліпса, які створюють жолоб робочого русла. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовані раціональні конструктивно-кінематичні параметри очисника та розроблено методику визначення його основних параметрів і продуктивності. Результати досліджень використовуються проектно-конструкторськими організаціями при розробці коренезбиральних машин.

Ключові слова: коренеплоди, технологічний процес, сепарація, гвинтово-еліпсний очисник, конструктивно-технологічні параметри, продуктивність, показники якості роботи.

SUMMARY

Pankiv M.R. Substantiation of structurally - technological parameters of screw-elliptic cleaner of beet-harvesting machines. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) on speciality 05.05.11 – machines and means of agricultural production mechanization – Ternopil State Technical university named after Ivan Pul’uj, Ternopil, 2003.

This thesis deals with the solution of the scientific problem concerning the quality improvement of sugar beet root cleaning from admixtures by means of design of screw-elliptic operating unit construction made in the form of linear elliptic mill system located along short semiellipse axis creaming the operating channel chute. Rational structural-kinematics parameters and efficiency are worked out on the basis of carried out theoretical and experimental investigations. The results of above mentioned researches are used by design organizations in the development of root-harvesting machines.

Key words: beet-root, technological process, separation, screw-elliptic cleaner, structural-technological parameters, efficiency, work quality factors.

АННОТАЦИЯ

Панькив М.Р. Обоснование конструктивно-технологических параметров винтово-эллипсного очистителя корнеуборочных машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскогохозяйственного производства. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2003.

Диссертационная работа посвящена повышению показателей качества работы рабочих органов для отделения примесей от корнеплодов сахарной свеклы путем разработки конструкции очистительной системы с обоснованием рациональных конструктивно-кинематических параметров работы винтово-эллипсного очистителя вороха.

На основании проведенного анализа известных конструкций очистителей вороха корнеплодов и их исследований предложена схема очистительной системы с использованием винтово-эллипсного рабочего органа, позволяющего повысить качество разделения вороха на отдельные компоненты за счет дополнительного осциллирующего движения вороха в вертикальной плоскости.

По результатам проведенных теоретических исследований винтово-эллипсного очистителя получены аналитические зависимости