луганський національний аграрний університет

БРЮХОВЕЦЬКИЙ Андрій Миколайович

УДК 631.356.4:621.928.004.15:

631.171(043.3)

підвищення ефективності ТЕХНОЛОГІЧНОГО процесу

вториНної сепарації картоплі

Спеціальність 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті, Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Вольвак Сергій Федорович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри механізації виробничих процесів у тваринництві.

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Шабельник Борис Петрович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, професор кафедри механізації тваринницьких ферм;

кандидат технічних наук, доцент Скотаренко Віктор Васильович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри архітектури будівель і споруд.

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 "09" грудня 2004 р. о 9 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 у Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 1М-214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Луганського національного аграрного університету за адресою: 91008, м.Луганськ, Луганський національний аграрний університет.

Автореферат розіслано " 08 " листопада 2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент ___________________________ Коваль В.Я.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У світовому виробництві рослинних продуктів харчування картопля посідає четверте місце, поступаючись пшениці, кукурудзі та рису. Для населення України дана сільськогосподарська культура відіграє особливу роль у забезпеченні продовольством, залишаючись традиційно незмінним щоденним продуктом харчування. Не менш важливе значення картоплі і як кормової культури та сировини для промисловості. У нашій країні картоплю вирощують у господарствах різних форм власності. При цьому площі під посадку становлять близько 1,6 млн. га, що складає близько 9% світових.

На сучасному етапі картоплярство України залишається однією із самих енерго- та трудомістких галузей рослинництва. Невід’ємною частиною процесу отримання якісної картоплі є післязбиральна доробка (вторинна сепарація) картопляного вороху, яка полягає у відділенні якісних бульб від домішок у вигляді некондиційних та гнилих бульб, каміння, земляних грудок. Через відсутність ефективного робочого органу вторинна сепарація до цього часу виконується вручну. Тому розробка нових методів підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху шляхом створення принципово нових технічних засобів, зокрема двоступеневого пневмофрикційного сепаратора, є досить актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційна робота є складовою частиною напрямку наукових досліджень кафедри механізації виробничих процесів у тваринництві Луганського національного аграрного університету за темами: "Удосконалення процесів пневмомеханічного очищення коренебульбоплодів від домішок" та "Комплексна механізація виробничих процесів в АПК" (державний реєстраційний номер 0104U005400).

Виконані в роботі дослідження проводилися в рамках "Цільової комплексної програми розробки і виробництва машин та обладнання для вирощування, збирання, післязбиральної доробки й зберігання картоплі" при співробітництві з проектно-конструкторським бюро "Прогрес" (м. Миколаїв).

Мета роботи і задачі досліджень. Мета роботи – підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху шляхом розробки конструкції та визначення раціональних параметрів пневмофрикційного сепаратора.

Для досягнення мети в роботі поставлено такі задачі:

- провести аналіз існуючих способів та пристроїв для відділення домішок картопляного вороху при вторинній сепарації, розробити класифікацію даних способів та пристроїв і обґрунтувати перспективну конструктивно–технологічну схему технічного засобу для виконання вказаного технологічного процесу;

- теоретично обґрунтувати робочий процес пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху і його конструктивно–режимні параметри;

- визначити необхідні механіко-технологічні властивості компонентів картопляного вороху та їх характерні відмінності;

- провести експериментальні дослідження першого та другого ступенів пневмофрикційного сепаратора та визначити їх раціональні параметри з метою підтвердження основних теоретичних положень;

- розробити методику інженерного розрахунку пристрою для відділення некондиційних і гнилих бульб, вільного ґрунту, каміння, земляних грудок і довести можливість здійснення безперервного процесу сепарації;

- дати техніко-економічну оцінку і розробити рекомендації щодо ефективного використання пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху.

Об’єкт дослідження – технологічний процес і технічні засоби сепарації картопляного вороху за рахунок різниці компонентів за фрикційними властивостями та густиною.

Предмет дослідження – встановлення основних закономірностей у технологічному процесі сепарації картопляного вороху, теоретичне та експериментальне обґрунтування раціональних параметрів сепаруючих робочих органів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на методах теорії систем, теорії ймовірності та математичної статистики і проводилися з використанням основних положень вищої математики, теоретичної і аналітичної механіки. Експериментальні дослідження було виконано відповідно до прийнятих методик у лабораторних умовах на розроблених автором експериментальних установках із використанням методів планування багатофакторного експерименту та статистичного опрацювання результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- розроблено найбільш повну класифікацію способів і пристроїв для вторинної сепарації картопляного вороху;

- уперше отримано математичні залежності, які дозволяють визначити раціональні конструкторські параметри сепаруючих органів, оптимізовано основні з них;

- уперше створено математичні моделі взаємодії компонентів картопляного вороху з сепаруючими поверхнями;

- визначено фактори, які найбільш суттєво впливають на якісні показники роботи сепаруючих органів для виділення некондиційних та гнилих бульб, вільного ґрунту, каміння та земляних грудок;

- уперше встановлено теоретичні та експериментальні залежності впливу конструкторських і кінематичних параметрів сепаратора картопляного вороху на якісні показники процесу сепарації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкції і обґрунтуванні параметрів сепаратора, який дозволяє зменшити затрати ручної праці при вторинній сепарації картопляного вороху, а також – у розробці методики інженерного розрахунку даного пристрою. Новизну технічних рішень підтверджено патентом України на винахід.

Особистий внесок здобувача. У дослідженнях за темою дисертації здобувачем самостійно одержані такі результати: проведено аналіз існуючих способів та технічних засобів вторинної сепарації картопляного вороху, розроблено їх класифікацію, встановлено перспективні напрямки підвищення ефективності даного технологічного процесу; теоретично досліджено процес сепарації з метою отримання аналітичних залежностей для розрахунку конструктивно-технологічних та енергетичних параметрів пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху; визначено механіко-технологічні властивості компонентів картопляного вороху та їх характерні відмінності; експериментально вивчено робочий процес сепарації на робочих органах першого та другого ступенів сепаратора і отримано їх раціональні конструктивно–режимні параметри, основні з яких оптимізовано; запропоновано методику інженерного розрахунку пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху й оцінено техніко-економічну ефективність його використання; розроблено рекомендації щодо використання даного сепаратора.

Три статті за темою дисертаційної роботи є одноосібними. У інших опублікованих наукових працях за темою дисертаційної роботи доля здобувача становить від 50 до 85%. У патенті України на винахід частка здобувача - 25%.

Апробація результатів досліджень. Результати наукових досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях викладачів та співробітників Луганського національного аграрного університету (1995–2004р.р.); Міжнародній науково–технічній конференції з питань розвитку механізації, електрифікації, автоматизації і технічного сервісу АПК в умовах ринкових відносин (смт. Глеваха, 1995р.); міжвузівській науково-методичній конференції "Машиновикористання в землеробстві і тваринництві" (м. Суми, 1999р.); ІV Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробної механіки" (м. Харків, 2003р.); науково-практичній конференції "Енерго- та екологозберігаючі технології - в сільськогосподарське виробництво" (м. Сімферополь, 2004 р.).

Повністю дисертаційну роботу було заслухано на науково-технічній конференції викладачів та співробітників ЛНАУ (м. Луганськ, 2004 р.) і науково-практичній конференції "Енерго- та екологозберігаючі технології - в сільськогосподарське виробництво" (м. Сімферополь, 2004 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 7 статей, із них 3 одноавторні, у фахових виданнях, затверджених "Переліком ВАК..." з технічних наук, отримано один патент України на винахід.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації – 201 сторінка. На 167 сторінках викладено текст роботи, на 11 сторінках – список використаних джерел із 129 найменувань (із них 9 на іноземній мові), на 23 сторінках – 10 додатків. Робота містить 12 таблиць та 65 ілюстрацій.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність теми дисертації, визначено мету роботи і задачі досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення роботи, рівень апробації та публікації одержаних результатів досліджень.

У першому розділі “Сучасний стан механізації технологічного процесу сепарації картоплі при післязбиральній доробці” доведено необхідність виконання післязбиральної доробки картоплі та створення вітчизняного сепаратора домішок картопляного вороху, виконано аналіз існуючих технологій післязбиральної доробки даної культури та способів, засобів і робочих органів для вторинної сепарації картопляного вороху, запропоновано найбільш повну їх класифікацію та вказано причини обмеженості застосування.

Фундаментальні основи для вивчення закономірностей технологічного процесу вторинної сепарації картоплі викладено в працях відомих учених: В.П. Горячкіна, Є.С. Босого, П.М. Василенка, П.М. Заїки, Г.Д. Петрова, М.М. Колчина, Ю.І. Зінов'єва, Б.П. Шабельника, І.В. Автухова, В.П. Васеничева, О.О. Сорокіна, І.С. Крашенинникова, Л.В. Погорілого, В.М. Булгакова, М.Ф. Бородіна, К.Баганца (Германія), Б.М. Лебедєва, Е. Шиффера (Германія), Х.Хекельмана (Германія), В. Жильмара (США), В.В. Сташкова, Д. Палмера (Англія), Ф.І. Ботєва, В.І. Старовойтова, М.І. Кирилина, А. Сторна (США), Р.А. Стапенянца, С.А. Саід-Ходжаєва, В.М.Фурлетова, Б.І. Максимова, Л.Г. Сакало, В.Є. Зубкова та інших.

Після вивчення стану питання було зроблено висновок, що механічне відділення міцних земляних грудок, каміння та гнилих і некондиційних бульб при післязбиральній доробці картопляного вороху до цього часу не вирішено технічно або не виконується повністю. Це знижує ефективність використання сепаруючих пристроїв із механічними робочими органами.

У зв’язку з цим нами запропоновано концепцію підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху шляхом розробки і впровадження пневмофрикційного сепаратора.

Так як процес відділення домішок на пневмофрикційному сепараторі має специфічний характер, то вивчення характеру руху компонентів картопляного вороху по робочих поверхнях потребує подальшого теоретичного дослідження.

У другому розділі "Теоретичне дослідження технологічного процесу вторинної сепарації картоплі" на основі теорії ймовірності сепарації сипного середовища та за допомогою методів системного аналізу обґрунтовано і створено конструктивно-технологічну схему двоступеневого пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху (рис.1).

Даний технічний об’єкт складається з двох ступенів сепарації: попереднього – зрізаного пруткового конуса 1, який розташований основою догори і має розосереджувальний пристрій 7 (конічне дно), та основного – пневмофрикційного сепаратора, до складу якого входять циліндричний барабан 2 із зовнішнім діаметром d, м, та внутрішнім d1, м, половина різниці яких складає довжину LГ, м, хвилеподібних гумових гірлянд, що обертаються в повітряному потоці. Повітряний потік створюють відцентрово-лопатеві вентилятори 3.

Кутові швидкості обертання пруткового конуса 1, рад/с, та пневмофрикційного барабана 2, рад/с, можуть мати різні значення завдяки існуванню окремих електроприводів 4, 5.

Прутковий конус виконує попередню сепарацію вороху, тобто відділяє дрібнофракційні бульби, бульби,вражені мокрою гниллю, частково каміння і вільний ґрунт. На пневмофрикційному барабані виконується основна сепарація – відділення від кондиційних бульб земляних грудок, каміння та бульб, вражених сухою гниллю.

Для розробленої конструктивно-технологічної схеми було виконано аналітико-теоретичні дослідження робочого процесу сепарації з метою отримання необхідних аналітичних залежностей щодо визначення основних конструктивно–режимних параметрів обох ступенів сепарації.

Кількісні та якісні показники процесу сепарації картопляного вороху залежать від характеру руху його компонентів по сепаруючій поверхні пруткового конуса, по поверхні і в середовищі пневмофрикційного барабана, а також від дальності польоту тіл у повітрі після сходу їх з конуса. Це підтверджує необхідність вивчення законів руху тіл в усіх вище зазначених випадках.

Розглянемо рух матеріальної частинки М по конічній поверхні, що обертається та розташована основою догори. Для здійснення процесу сепарації необхідно, щоб частинка М рухалася вверх по конусу, тобто виконувалася нерівність (рис. 2):

, (1)

де m - маса частинки, кг; r - радіус конуса в даній точці М, м; - кутова швидкість конуса, рад/с; - кут між твірною конуса та віссю обертання,°; g - прискорення вільного падіння, м/с2; f - коефіцієнт тертя частинки по поверхні конуса.

Рис.2. Схема діючих на частинку М сил при переміщенні по конічній поверхні вверх.

Зробивши припущення, що рух тіла з ковзанням по конічній поверхні можна розглядати як рух точки з масою m, зосередженою в точці контакту М тіла з конічною поверхнею, та, враховуючи нерівність (1), визначено мінімальну частоту обертання конуса nmin, при якій існуватиме переміщення точки (тіла) вверх по твірній конуса:

, с-1 . (2)

При подальших теоретичних дослідженнях робочого процесу пневмофрикційного сепаратора визначено, що пропускна здатність або продуктивність першого ступеня сепарації даного технічного пристрою W1 залежить від конструктивно-кінематичних параметрів пруткового конуса та визначається за формулою:

, кг/с, (3)

де R – радіус конуса у верхній частині, м; R1 – радіус конуса в зоні розосередження компонентів, м; H – відстань по вертикалі між верхніми та нижніми кінцями прутків, м; - лінійна швидкість конічної пруткової поверхні, м/с, с - насипна щільність картопляного вороху, кг/м3; ц - коефіцієнт заповнення пруткового конуса; - показник засміченості вихідного матеріалу (домішки - бульби).

Продуктивність другого ступеня сепарації – пневмофрикційного барабана W2, кг/с, як і загальна продуктивність сепаратора W, кг/с, повинна бути не меншою за W1, тобто:

. (4)

При цьому: , кг/с, (5)

де d і d1 – відповідно зовнішній і внутрішній діаметри пневмофрикційного барабана, м; LГ – довжина хвилеподібної гірлянди, м; В – висота шару гірлянд, м; m - густина тіл (компонентів картопляного вороху), які надходять на сепарацію, кг/м3; n – частота обертання барабана, с-1; 0 – питомий просвіт проходження повітряного потоку між гірляндами; – коефіцієнт використання внутрішнього об'єму барабана; 1 – засміченість вороху, що надходить після першого ступеня сепарації.

При теоретичному дослідженні процесу руху тіл по конічній прутковій поверхні розглянуто два випадки: рух тіл з ковзанням (рис. 3, а) та рух тіл з коченням (перекиданням) (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Схема сил, що діють: а) на точку; б) на тіло.

Для першого випадку (рух тіл з ковзанням) рівняння Лагранжа ІІ роду, що описує рух матеріальної точки М (рис. 3, а), за яку прийнято точку контакту тіла з поверхнею конуса і в якій сконцентрована маса тіла в даний момент часу, у сферичних координатах має вигляд:

; ; . (6)

При цьому: - довжина радіус-вектора; – довгота відносно конуса, що обертається; – широта .

Після знаходження відповідних похідних отримано систему рівнянь:

,

.

Після ряду математичних перетворень система рівнянь (7) матиме вигляд:

,

.

Система нелінійних диференційних рівнянь (8) описує рух частинки М по внутрішній поверхні конуса, що обертається з постійною кутовою швидкістю відносно вертикальної осі.

Розв'язання системи рівнянь (8) мають вигляд:

; (9)

, (10)

де С – кутова швидкість, рад/с, ; t – момент часу сходу тіла (точки) з конуса, с; С1, С2, С3 – довільні сталі; ().

Із загального розв'язання рівнянь (9) та (10) визначено, що швидкість сходу з конуса , при значеннях параметрів: кутом між твірною конуса та віссю обертання =65°, частотою обертання n=1,25 c-1 та середнім коефіцієнтом тертя ковзання f=0,53, визначається за формулою:

, м/с. (11)

Далі виконано теоретичне дослідження кочення тіл по конічній поверхні. При цьому форма тіл, зокрема бульб, апроксимується формою трьохосьового еліпсоїда (рис.3, б). Система диференційних рівнянь руху еліпсоїда з урахуванням діючих сил має вигляд:

, ,

де т – маса тіла, кг; f - коефіцієнт тертя кочення; I – момент інерції еліпсоїда відносно осі, яка перпендикулярна площині УОХ і проходить через центр мас, кгм2; - кут повороту тіла, ?; rі – радіус інерції тіла, м.

У результаті розв'язання системи рівнянь (12) отримано математичні залежності для визначення переміщення та швидкості центру мас еліпсоїда, що рухається вверх по конічній поверхні з коченням:

, м; (13)

, м/с. (14)

Числові розрахунки швидкості сходу з конічної поверхні точки (11) та тіла (14) виконано за допомогою ПЕОМ і на їх основі побудовано теоретичні залежності швидкості сходу від часу находження тіла на конічній поверхні t при різних значеннях радіуса зрізаного конуса в нижній частині r1 (рис. 4). При цьому швидкість сходу точки, за яку було прийнято швидкість сходу тіл при переміщенні з ковзанням, нижче швидкості тіл, які переміщуються з коченням.

Дальність польоту тіла l після сходу з конічної поверхні визначається із рівняння:

, м, (15)

де h – висота падіння, м.

Аналізуючи вираз (15), можна зробити висновок, що відстань знаходиться в прямій залежності від сходу тіла з конічної поверхні (). Теоретична залежність l для різних значень h від часу t знаходження на конусі представлена на рис. 5.

Рис. 5. Теоретична залежність дальності польоту від часу знаходження на конусі.

Наведені вище теоретичні дослідження доводять можливість розосередження та сепарації тіл з різними видами переміщень (ковзання і кочення) по конічній поверхні, що обертається навколо вертикальної осі. При цьому математичні вирази (8) та (12) можуть служити наближеними математичними моделями процесу попередньої сепарації картопляного вороху.

Робоче середовище другого ступеня сепарації є модифікацією блокованого псевдозрідженого шару. Однак у пневмофрикційному шарі, на відміну від блокованого псевдозрідженого, використовуються хвилеподібні гірлянди, розміщення яких є перпендикулярним повітророзподільній решітці. Гірлянди зібрані у вигляді циліндричного барабана, який обертається з постійною кутовою швидкістю навколо вертикальної осі.

Під дією повітряного потоку та відцентрової сили гірлянди випрямляються і створюють рухоме середовище з більш високим, ніж у повітрі, гідростатичним потенціалом, який зростає від поверхні до повітророзподільної решітки. Наявність значного гідростатичного потенціалу та рухливість - властивості, які характерні для рідин та псевдозрідженого шару. Вони дозволяють розглядати дану систему як псевдозріджену, тобто таку, що має властивість розподіляти тіла за різними рівнями залежно від їх густини.

Система сил, діючих на тіло з боку сепаруючого шару, висотою В, м, приводиться до головного вектора ефективної виштовхуючої сили Fe, Н, (рис. 6), яка є рівнодіючою всіх сил, прикладених до тіла та викликаних дією на нього як повітряного потоку, так і гірлянд:

, Н, (16)

де G - сила тяжіння тіла, Н; Fвідц. – відцентрова сила, Н; Fш - сила опору рухові тіла в пневмофрикційному шарі, Н.

У пневмофрикційному шарі через низькі швидкості руху повітря крізь гірлянди знижується роль динамічної компоненти Fд виштовхуючої сили і при цьому зростає значення її статичної складової Fc. Виходячи з цього, робимо припущення, що Fe=Fs. У свою чергу для тіла, яке знаходиться в шарі, Fs можна визначити як добуток статичного тиску в тій чи іншій точці шару Pст, Па, на площу поперечного перерізу даного тіла S, м2, тобто:

, Н, (17)

де - кутова швидкість обертання пневмофрикційного барабану, рад/с; s – статична густина пневмофрикційного шару, кг/м3; m – густина тіла, кг/м3; Rб, r0 – відповідно зовнішній та внутрішній радіуси барабана, м; z - координата знаходження тіла в пневмофрикційному шарі по осі OZ.

Використовуючи вираз (17), можна визначити необхідну теоретичну швидкість повітряної струмини стр у міжгірляндовому просторі:

,м/с, (18)

де пов – густина повітря, кг/м3.

Потужність пневмофрикційного сепаратора N, кВт, витрачається на привід першого ступеня сепарації – пруткового конуса, на привід другого ступеня сепарації – пневмофрикційного барабана та на привід відцентрово-лопатевих вентиляторів:

, кВт, (19)

де Nпуск – потужність, яка витрачається в пусковий період роботи конічного сепаратора, кВт; Nхх – потужність у період холостого ходу пруткового конуса, кВт; - потужність, що витрачається на подолання опору компонентів картопляного вороху при переміщенні по внутрішній поверхні пруткового конуса, кВт; - потужність, що витрачається на подолання сил тертя при переміщенні компонентів вороху по гірляндах, кВт; Nпов – потужність на привід вентиляторів, кВт; Nпр – потужність, необхідна на привід вала пневмофрикційного барабана, кВт.

Виконані дослідження дозволили теоретично обґрунтувати робочий процес двоступеневого пневмофрикційного сепаратора та визначити основні конструкторські параметри першого і другого ступенів сепарації. Так при куті =65°, середньому коефіцієнті тертя f=0,53, отримано такі параметри: L=0,60-0,88 м; R1=0,13 м; R=0,77 м; В=0,16 м; LГ=0,155 м; Rб=1,075 м; r0=0,92м; стр=18 м/с. Крім цього, визначено технологічні та енергетичні параметри: кутова швидкість обертання пруткового конусу 1 рівняється кутовій швидкості обертання пневмофрикційного барабана 2 та становить 7,85 рад/с; теоретична продуктивність W=4,5 т/год при загальній потужності N=4,5 кВт.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" викладено програму експериментальних досліджень, описано експериментальні установки, наведено методику проведення і обробки результатів експериментальних досліджень та оптимізації основних параметрів першого та другого ступенів сепаратора.

Програма експериментальних досліджень містить рішення таких питань: визначення механіко-технологічних характеристик компонентів картопляного вороху; перевірка залежностей, отриманих за допомогою теоретичних досліджень; визначення раціональних параметрів робочих органів і оптимізація основних з них та вивчення впливу різних факторів на якість роботи сепаратора, його продуктивність і енергоємність; проведення оцінки роботи першого та другого ступенів пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху в лабораторних умовах.

Значна увага при експериментальних дослідженнях була приділена вивченню механіко– технологічних властивостей компонентів картопляного вороху, які умовно розділено на три групи. Геометричні характеристики (довжина, товщина і ширина) дозволяють визначити форму та вид рівняння, яке описує поверхню тіл, що є компонентами вороху. Друга група зумовлюється математичними моделями руху тіл і вміщує інерційні характеристики, до яких відносяться маса, густина і момент інерції. Третю групу характеристик складають коефіцієнти тертя, які виникають при переміщенні компонентів вороху по внутрішній поверхні конуса та в пневмофрикційному середовищі, що створюється в процесі руху хвилеподібних гумових гірлянд у перпендикулярному їм повітряному потоці.

Для проведення експериментальних досліджень пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху створено дві лабораторних установки. Лабораторна установка для дослідження робочого процесу першого ступеня сепарації (рис. 7, а) складається з рами 1, на якій розміщено електродвигун 3 з редуктором 2. На рамі також закріплено збірне дно 4, яке може переміщатись у вертикальному напрямі. Подача картопляного вороху здійснюється за допомогою транспортера 9. Направляюча обойма 6 дозволяє змінювати кут нахилу обгумованих прутків, з яких складається конічна пруткова поверхня 7. На привідному валу 8 розміщено розосереджувальний конус 5.

а) б)

Рис. 7. Конструктивно – технологічні схеми лабораторних установок:

а) для дослідження першого ступеня сепарації: 1 – рама; 2 – редуктор; 3 – електродвигун; 4 – збірне дно; 5 – розосереджувальний конус; 6 – направляюча обойма; 7 – обгумовані прутки; 8 – привідний вал; 9 – подаючий транспортер; б) для дослідження другого ступеня сепарації: 1 – відцентровий вентилятор; 2 – повітропровід; 3 – жалюзійний блок; 4– решітка; 5 – ванна з гірляндами.

Для дослідження другого ступеня сепарації призначена експериментальна установка (рис. 7, б), яка складається з відцентрового вентилятора 1; повітропроводу 2; жалюзійного блоку 3; захисної решітки 4, яка до того ж частково виконує функцію розподілу повітря по об'єму стаціонарної ванни 5 з хвилеподібними гірляндами. Конструктивно передбачається можливість зміни кута нахилу ванни відносно горизонту.

Для оптимізації конструктивно-режимних параметрів першого та другого ступенів пневмофрикційного сепаратора використовувався метод планування експерименту. За критерій оптимізації параметрів, як першого так і другого ступенів сепарації, було прийнято загальний коефіцієнт сепарації компонентів картопляного вороху , %.

Спираючись на апріорну інформацію та результати пошукових експериментів, для першого ступеня сепарації було вибрано фактори оптимізації: частота обертання конуса п; довжина прутків конуса L; кут нахилу прутків відносно осі обертання . Для другого ступеня сепарації: частота обертання барабана n1; діаметр вхідного вікна вентилятора d; засміченість картопляного вороху .

Лабораторні випробування проведено з використанням бульб сорту "Невський" при засміченості вороху у межах 0,5-1 із середньою вологістю близько 15% та твердістю земляних грудок близько 1,6 МПа.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведено результати вивчення основних механіко–технологічних характеристик компонентів картопляного вороху та експериментального дослідження першого і другого ступенів сепарації пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху.

Було встановлено, що з найбільшою точністю форма бульб сорту "Невський" апроксимується формою трьохосного еліпсоїда.

Коефіцієнти тертя та форма тіл компонентів картопляного вороху при переміщенні по прутковій конічній поверхні значно відрізняються, що сприяє отриманню тілами різних швидкостей сходу з конуса, а в результаті і різних дальностей польоту. На рис. 8 представлено експериментальні залежності дальності польоту компонентів картопляного вороху від їх швидкості при сході з конуса.

Дані залежності свідчать, що найбільший розбіг у дальності польоту спостерігається між бульбами та камінням, що доводить можливість їх повної сепарації. Разом з тим існує перекриття в траєкторіях польоту бульб і земляних грудок, яке вказує на потребу додаткової сепарації даних компонентів.

Задача оптимізації параметрів першого ступеня сепарації вирішувалася за допомогою планування багатофакторного експерименту в два етапи.

На першому етапі реалізовано план повного факторного експерименту (ПФЕ типу 23). На другому - центральний композиційний план другого порядку. При цьому отримано математичну модель у вигляді багатомірного полінома другого степеня:

.

Область оптимуму було детально вивчено методом двомірних перетинів. На рис. 9 наведено двомірний перетин поверхні відгуку. Для даних умов протікання процесу сепарації картопляного вороху загальний коефіцієнт сепарації приймає оптимальні значення (Y=1max) при Х1=п=1,2с-1; Х2=L=0,59 м; Х3==65°. Критерій оптимізації в даній точці складає Y1=1=88,26%.

Рис. 9. Двомірний перетин поверхні

відгуку для факторів:

а) Х1-Х2; б) Х1-Х3; в) Х2-Х3.

Експериментальними дослідженнями другого ступеня доведено можливість сепарації компонентів картопляного вороху за густиною (домінуючий признак) та фрикційними властивостями (допоміжний признак). При цьому встановлено наявність перепаду статичного тиску Рст, Па, в пневмофрикційному шарі від максимального (біля повітророзподільної решітки) до повної його відсутності (на поверхні шару) та визначено статичну густину шару s, кг/м3, у залежності від висоти шару В, м (рис. 10).

Рис. 10. Епюра перепаду статичного тиску Рст і залежність статичної густини s від глибини занурення компонентів у пневмофрикційний шар h:

експериментальні;

теоретичні.

Оптимізацію параметрів другого ступеня сепарації проведено по плану Бокса-Бенкіна. При цьому результати експериментальних досліджень було опрацьовано за допомогою пакета програм "STATGRAPHICS Plus 5,0" для ПЕОМ. Отримано оптимальні значення основних параметрів: п1=1 с-1; d=0,2 м; =60%; значення критерію оптимізації складає 2=83%.

У п’ятому розділі "Економічна ефективність застосування пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху" приведено результати визначення техніко-економічних показників застосування двоступеневого пневмофрикційного сепаратора, який використовується при вторинній доробці картопляного вороху на картоплесортувальному пункті КСП–15Б замість перебирального столу. При розрахунковій ціні сепаратора 2900,76 грн. витрати праці знижуються на 85% у порівнянні з ручною переборкою, що дозволяє вивільнити від 4 до 6 робітників-перебирачів. При цьому річний економічний ефект у споживача від використання одного пневмофрикційного сепаратора складає 1764,9 грн.

У шостому розділі "Рекомендації щодо використання розробленого пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху та методика його інженерного розрахунку" розроблено рекомендації виробництву щодо ефективного використання сепаратора та методику інженерного розрахунку даного пристрою.

Рекомендації щодо використання пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху та методику його інженерного розрахунку передано керівництву ВСГК „Правда” Роменського району Сумської області; програма для ПЕОМ, методичне забезпечення та експериментальний зразок установки для вторинної сепарації картопляного вороху впроваджені в навчальний процес на кафедрі механізації виробничих процесів у тваринництві Луганського національного аграрного університету.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Механіче відділення гнилі, міцних земляних грудок і каміння від кондиційних бульб картоплі при післязбиральній доробці до цього часу не вирішено технічно та не виконується повністю, що знижує ефективність застосування сепаруючих пристроїв з механічними робочими органами.

2. Аналіз існуючих способів, пристроїв та робочих органів для вторинної сепарації картоплі разом з використанням теорії ймовірності розподілу сипного середовища та методів системного аналізу дали змогу обґрунтувати і створити конструктивно-технологічну схему двоступеневого пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху .

3. Виконані аналітико-теоретичні дослідження дозволили теоретично обґрунтувати робочий процес двоступеневого пневмофрикційного сепаратора, створити математичні моделі руху (8), (12) компонентів картопляного вороху по робочих поверхнях сепаратора та встановити математичні залежності для визначення конструктивно–режимних параметрів сепаратора (2), (3), (5), (11), (13-15), (18), (19).

4. Експериментальні дослідження технологічного процесу сепарації картопляного вороху підтвердили аналітико-теоретичні передумови, з розбіжністю значень у середньому 11% та дозволили:

- визначити необхідні механіко-технологічні характеристики компонентів картопляного вороху;

- оптимізувати основні конструктивно-режимні параметри першого та другого ступенів сепаратора за допомогою методів планування багатофакторного експерименту;

- встановити ефективність роботи першого (1=88,26%) та другого (2=83 %) ступенів сепаратора;

- знайти експериментальну продуктивність двоступеневого пневмофрикційного сепаратора (W=4 т/год) та споживану потужність (N=5 кВт).

5. Лабораторні випробування першого та другого ступенів сепаратора картопляного вороху довели можливість виконання безперервного технологічного процесу завдяки якісному розосередженню компонентів вороху, практично повну відсутність пошкоджень бульб, працездатність робочих органів та простоту в обслуговуванні. Енергоємність сепаратора - 1,25 кВт·год/т.

6. Розрахунок показників техніко-економічної ефективності розробленого пневмофрикційного сепаратора для розділення компонентів картопляного вороху показав, що затрати живої праці знижуються на 85%; річний економічний ефект у споживача від використання одного пневмофрикційного сепаратора складає 1764,9 грн.

7. Розроблені рекомендації щодо використання пневмофрикційного сепаратора та методика його інженерного розрахунку підтверджують можливість широкого і ефективного застосування даної машини в картоплярських господарствах, на овочевих базах, середніх і малих фермерських господарствах України. Дані розробки можуть бути корисними проектно-конструкторським та науково-дослідницьким організаціям, які працюють над розробкою подібного типу машин і установок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Зубков В.Е., Брюховецкий А.Н. Обоснование параметров блокированного псевдоожиженного слоя с волнообразной гирляндой // Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту. Технічні науки №2(4). – Луганськ: Видавництво ЛСГІ, 1998. – С.110-113 (частка здобувача 50%).

2. Сепаратор коренебульбоплодів від домішок. Патент України на винахід 24182 А01D33/08./ Зубков В.Є., Коваленко О.В., Брюховецький А.М., Лавицький В.П.; Заявлено 09.06.97; Опубл.07.07.98 (частка здобувача 25%).

3. Зубков В.Е., Брюховецкий А.Н. Исследование фрикционных свойств блокированного псевдоожиженного слоя // Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту. Технічні науки №4(10). – Луганськ: Видавництво ЛДАУ, 1999. – С.125-127 (частка здобувача 50%).

4. Зубков В.Е., Брюховецкий А.Н. Обоснование параметров робочих органов для предварительной сепарации при послеуборочной доработке картофеля // Збірник наукових праць Луганського державного аграрного університету. Технічні науки №10(22). – Луганськ: Видавництво ЛДАУ, 2001. – С.171-176 (частка здобувача 85%).

5. Брюховецкий А.Н. Теоретическое исследование движения тела, форма которого аппроксимируется эллипсоидом по конической вращающейся поверхности // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Технічні науки №31(43). – Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2003. – С.78 - 82 .

6. Брюховецкий А.Н. Теоретическое исследование динамического состояния компонентов картофельного вороха на внутренней поверхности первой ступени сепарации пневмофрикционного отделителя примесей // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. 23. – Харків, 2004. – С.96 – 100.

7. Брюховецкий А. Н. Применение метода планирования эксперимента для исследования пруткового конического сепаратора картофельного вороха // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Технічні науки №31(43). – Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2004. – С.45 – 49.

8. Брюховецкий А.Н., Вольвак С.Ф. Классификация способов, технических средств и рабочих органов для вторичной сепарации картофеля // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Вип.23. – Мелітополь: ТДАТА, 2004. – С.91 – 96 (частка здобувача 85%).

АНОТАЦІЯ

Брюховецький А.М. Підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картоплі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Луганський національний аграрний університет, Луганськ, 2004.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху. Проаналізовано існуючі способи, пристрої і робочі органи для вторинної сепарації картоплі, доведено необхідність створення двоступеневого пневмофрикційного сепаратора картопляного вороху.

Розроблено конструктивно-технологічну схему сепаратора. Виконано теоретичний аналіз процесу сепарації картопляного вороху. Побудовано математичні моделі руху компонентів вороху по робочих поверхнях сепаратора. Визначено конструктивно-режимні параметри першого та другого ступенів сепарації, проведено їх оптимізацію.

Експериментальними дослідженнями доведено працездатність і високу ефективність функціювання кожного із ступенів сепаратора. Розроблено рекомендації щодо використання даного технічного пристрою.

Ключові слова: технологічний процес вторинної сепарації картоплі, пневмофрикційний двоступеневий сепаратор, оптимізація, ефективність, рекомендації щодо використання.

АННОТАЦИЯ

Брюховецкий А.Н. Повышение эффективности технологического процесса вторичной сепарации картофеля. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Луганский национальный аграрный университет, Луганск, 2004.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технологического процесса вторичной сепарации картофельного вороха.

В результате анализа существующих способов, устройств и рабочих органов для вторичной сепарации картофеля доказана необходимость создания пневмофрикционного двухступенчатого сепаратора картофельного вороха, исключающего применение ручного труда, отличающегося высокой эффективностью разделения, простотой устройства и эксплуатации.

На основе теории вероятности разделения сыпучей среды и с использованием методов системного анализа разработана конструктивно-технологическая схема пневмофрикционного сепаратора. Проведен теоретический анализ процесса сепарации картофельного вороха. Построены математические модели движения клубней картофеля по рабочим поверхностям сепаратора.

Определены механико-технологические характеристики компонентов картофельного вороха.

Выполнена оптимизация основных конструктивно-режимных параметров первой и второй ступеней сепаратора картофельного вороха.

В результате исследований разработан пневмофрикционный двухступенчатый сепаратор картофельного вороха, проверка работы каждой из ступеней которого подтвердила их работоспособность и высокую эффективность.

Предложены рекомендации по использованию данного технического устройства и методика его инженерного расчета, которые подтверждают возможность широкого и эффективного использования данной машины в картофелеводческих хозяйствах, на овощных базах, в средних и малых фермерских хозяйствах Украины.

Ключевые слова: технологический процесс вторичной сепарации картофеля, пневмофрикционный двухступенчатый сепаратор, оптимизация, эффективность, рекомендации по использованию.

SUMMARY

A.N. Bryukhovetsky. Increasing efficiency of technological process of secondary potato separation. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s of technical science degree on speciality 05.05.11 – machines and means of farm production mechanization. Lugansk national agrarian university. Lugansk – 2004.

The thesis is devoted to the problems of increasing efficiency as to the technological process of potato hear secondary separation. As a result of analysis of the existing methods, devices and working parts for secondary potato separation the necessity of an airfriction separation for potato heap.

On the basis of the theory of probability of dry substances and using system analysis methods a constructive and technological scheme of an airfriction separator has been developed. A theoretical analysis of potato heap separation process has been carried out. Mathematical models of potato tubers movement along the working surfaces of the separator have been constructed.

As a result of this research an airfriction two-stage potato separator has been designed, and by optimization of each stage operation has proved its great capacity for work and efficiency. Recommendations on the use of the given technical device have been worked out.

Key words: technological process of potato hear secondary separation, airfriction two-stage separator, optimization, efficiency, recommendations on the use.

Підписано до друку 05.11.2004 р. Формат 60X84 1/16.

Папір офс. Гарнітура “Таймс”.

Друк офс. Умов. друк. арк. 0,9. Обл. вид. арк. 1,5. Тираж 100 прим. Зам. 42

Видавництво ЛНАУ

Адреса: 91008 Луганськ-8, Луганський національний аграрний університет,

тел. 96-75-84