ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ВЛАС НАТАЛІЯ ЄВГЕНІВНА

УДК 631.358.42

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ГВИНТОВОГО ЦИЛІНДРИЧНОГО СЕПАРАТОРА З РАДІАЛЬНО ЗМІЩЕНИМИ ГЕОМЕТРИЧНИМИ ОСЯМИ ШНЕКІВ

05.05.11– машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕРНОПІЛЬ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа: | Заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри технології машинобудування.

Заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Мартиненко Володимир Якимович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри менеджменту підприємницької

діяльності;

кандидат технічних наук, доцент

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, відділ механізації збирання овочів і коренебульбоплодів, смт. Глеваха Васильківського району Київської області.

Захист відбудеться 29.06.2004 р. о 14 на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 58.052.02 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за адресою: , 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 27.05.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Попович П. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення сучасних бурякозбиральних машин пов’язане з підвищенням їх експлуатаційних показників при високому рівні якості виконання технологічного процесу, що в основному визначає технічний рівень коренезбиральної техніки, розвиток і виробництво якої в Україні за останні 10 років ведеться надзвичайно повільно. Вітчизняні машини, в номінальних умовах експлуатації, за показниками роботи поступаються зарубіжним, а в екстремальних – допускають значні пошкодження та забруднення коренеплодів.

Розробка нових технологічних процесів очистки та створення високоефективних очисників коренезбиральних машин сприяє: підвищенню продуктивності праці, повноті збирання врожаю, якості зібраної маси, зменшенню транспортних робіт з перевезення та збереження родючості ґрунту.

Тому одним із актуальних завдань, спрямованих на покращення показників якості виконання технологічного процесу, є розробка нового більш досконалого робочого органу для очистки коренеплодів від ґрунту, що забезпечить якісне виконання технологічного процесу збирання та підвищення функціональних показників бурякозбиральної техніки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до державної науково – технічної програми Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя та СКБ ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” “Механіко – технологічні основи проектування транспортно – технологічних систем коренезбиральних машин” (номер державної реєстрації 0102U002302), яка реалізовувалася в рамках Постанови Кабінету Міністрів України № 1341 від 1 грудня 1997 року “Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою”.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи - підвищення показників якості очистки вороху коренеплодів шляхом розробки удосконаленої конструкції і вибору раціональних параметрів гвинтового циліндричного сепаратора бурякозбиральних машин з радіально зміщеними геометричними осями шнеків.

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

- на основі проведеного аналізу процесу сепарації вороху цукрових буряків розробити нову більш удосконалену конструктивно-компонувальну схему очисника коренеплодів;

- теоретично обгрунтувати параметри очисного пристрою при взаємодії його поверхонь з коренеплодами з умови мінімізації їх пошкоджень і забруднення;

- розробити математичну модель процесу очистки коренеплодів гвинтовим циліндричним сепаратором з метою покращення якості сепарації;

- розробити програму та методики проведення експериментальних досліджень, а також виготовити експериментальну установку та новий робочий орган;

- експериментально дослідити динаміку очистки коренеплодів в залежності від величини та кількості імпульсних навантажень;

- провести комплекс польових та лабораторних досліджень для визначення втрат, пошкодження і забруднення коренеплодів;

- розробити оптимізовану модель для визначення конструктивних параметрів запропонованого сепаратора;

- на основі теоретичних і експерементальних досліджень розробити інженерну методику проектування гвинтових циліндричних сепараторів, визначити очікуваний економічний ефект від впровадження конструкції.

Об’єкт дослідження – коренезбиральні машини та показники якості їх роботи.

Предмет дослідження – гвинтовий циліндричний сепаратор з радіально зміщеними геометричними осями шнеків та обґрунтування його параметрів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних положень вищої математики, теоретичної механіки, математичної статистики та теорії ймовірності. Поставлені задачі розв’язувались з використанням ПЕОМ. Експерементальні дослідження проводились на основі системного підходу, тобто планування багатофакторного експерименту та статистичної систематизації цифрового фактажу.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше розроблено математичну модель процесу очистки коренеплодів при їх імпульсному навантаженні, реалізація якої дала можливість визначити раціональні конструктивні і технологічні параметри коренезбиральних машин. Вперше теоретично досліджений процес очистки коренеплодів гвинтовим циліндричним сепаратором з радіально зміщеними геометричними осями шнеків, і на цій основі обґрунтовані кінематичні та силові параметри сепаратора; отримані аналітичні залежності з умови непошкодження коренеплодів та їх мінімальних втрат. Визначено кінематичні та динамічні параметри руху коренеплодів в руслі, а також режими роботи нового шнекового пристрою, які визначають параметри осцилюючої складової вороху і, відповідно, оцінюють ступінь динамічності процесу очистки коренеплодів.

Практичне значення одержаних результатів. На основі комплексу експериментальних досліджень розроблена методика з визначення ступеня відділення ґрунту від коренеплодів при їх імпульсному навантаженні при різній його вологості. За результатами досліджень розроблена конструкція гвинтового циліндричного сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків, технічна новизна якого підтверджена патентом України на винахід № 40286 А. Розроблена методика оцінки впливу параметрів розробленого пристрою на ступінь пошкодження коренеплодів. Розроблено та виготовлено стенд для дослідження характеристик гвинтових транспортно-технологічних механізмів.

Особистий внесок здобувача. В теоретичних дослідженнях проведено розрахунок конструктивних і кінематичних параметрів гвинтового циліндричного сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків [3; 8].

Запропонована динамічна модель ударної взаємодії коренеплодів з прутковим полотном, гумовою та металевою поверхнями та визначено ступінь відділення грунту від коренеплодів при їх імпульсному навантаженні [4]. Проведення експериментальних досліджень та обробка їх результатів здобувачем проведена самостійно [1; ]. Постановка задач, аналіз і трактування отриманих результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, зі співавторами публікацій [2; 5; 7; 10; 15].

Апробація результатів дисертації. Основні положення теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних за темою дисертації, доповідались і отримали позитивну оцінку на: Міжнародних науково - практичних конференціях пам’яті П. М. Василенка “Проблеми землеробської механіки” (Луцького державного технічного університету, м. Луцьк, 2001 р.), Миколаївського державного аграрного університету (м. Миколаїв, 2002 р), Харківського державного технічного університету сільського господарства (м. Харків, 2003 р.); 6  му міжнародному симпозіумі українських інженерів – механіків у Львові (“Львівська політехніка”, 2003 р.); щорічних наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя (м. Тернопіль, 1999   р.р.).

Публікації. Основні положення і результати досліджень опубліковані в 15 друкованих працях, з яких 10 - у фахових збірниках наукових праць, 3 патенти на винаходи та 2 тези наукових конференцій. Технічна новизна розробок захищена трьома патентами України на винаходи (№  А, 2001р.; №49468 А, 2002р.; №55198 А, 2003р.).

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації викладений на 182 сторінках та містить 63 рисунки і 11 таблиць. Список використаних літературних джерел включає 134 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено суть та обґрунтовано актуальність роботи, зазначено зв’язок із науковими програмами і темами, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, сформульовано мету роботи та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз наукових праць з визначення реологічних властивостей системи ґрунт – коренеплід, вимог, що висуваються до бурякозбиральних машин. Запропонована класифікація очисників коренеплодів і здійснено огляд конструкцій очисних робочих органів. Проаналізовано результати відомих теоретичних і експериментальних досліджень процесів роботи очисників коренеплодів.

Вагомий вклад у вивчення технологічних процесів сепарації вороху коренеплодів з визначенням раціональних і оптимальних параметрів робочих органів внесли відомі вчені П.М.Василенко, Л.В.Погорілий, В.В.Брей, Ю.Б.Аванесов, М.І.Серебряков, Г.А.Хайліс, П.В.Савич, Г.Д.Петров, Б.М.Гевко, Б.П.Шабельник, М.М.Хелемендик, В.М.Булгаков, М.В.Татьянко, Р.М.Рогатинський, Р.Б.Гевко, В.Я.Мартиненко, В.А.Хвостов, М.Г.Данильченко, А.К.Сарапулов, І.І.Русанов та ін.

На основі проведеного аналізу встановлено, що розрахунок і вибір конструктивних і технологічних параметрів очисників необхідно здійснювати на основі реалізації моделей безпосередньої взаємодії коренеплодів з очисними поверхнями при умові знаходження компромісу між максимально можливою очисткою вороху буряків та недопущенням їх критичних пошкоджень, які призводять до незворотніх втрат цукрової сировини.

У другому розділі проведено математичне моделювання процесу очистки коренеплодів при їх імпульсному навантаженні. На основі аналізу встановлено, що процес очистки коренеплоду при подачі на робочу поверхню можна розглядати у два етапи (рис. 1).

Перший етап характеризує взаємодію коренеплодів та робочої поверхні через пластичну деформацію ґрунту. Можна вважати, що чим більша питома енергія пластичного деформування, тим більша кількість ґрунту буде відділена від поверхні коренеплоду. На другому етапі кількість ґрунту є відносно малою і взаємодія коренеплоду з робочою поверхнею відбувається більш жорстко. При цьому основну роль у процесі очистки відіграють сили інерції, що виникають при гальмуванні коренеплоду і сприяють струшуванню ґрунту з його бокової поверхні.

Рис. . Розрахункова схема для моделювання процесу подачі коренеплоду на робочу поверхню:

1 – грунт; 2 – коренеплід; 

3 – пластичний звязок грунту; 4 – робоча поверхня; 5 – зведена пружність компонен-

тів в системі; - зведена в’язкість системи | На першому етапі рух наближено описували рівнянням

, (1)

де - сумарна маса коренеплоду і ґрунту; - зведена жорсткість транспортера, ґрунту та коренеплоду; - зведена вязкість в системі; - деформація ґрунту.

Зусилля, які виникають під час удару коренеплода до робочої поверхні,(2)

де ; .

Перший етап завершиться, коли виконується умова

, (3)

тобто зусилля перевищить границю пластичності. Решта енергії удару перетвориться на енергію пластичного деформування.

Питома енергія пластичної деформації на одиницю площі контакту визначалась як

, (4)

де  енергія, яку поглинатиме ґрунт за рахунок пластичного деформування; - площа контакту при ударі.

В результаті аналізу формули (4) очевидно, що збільшенню енергії пластичного деформування сприяє збільшення висоти подачі , радіуса коренеплоду і жорсткості , а також зменшення діаметра прутка транспортера і напруження пластичного деформування .

Рівняння руху коренеплоду на другому етапі

, (5)

де - пластична деформація ґрунту; - початкові напруження пластичної деформації; - коефіцієнт зростання зусилля пластичної деформації за рахунок стиснення ґрунту.

Максимальна амплітуда прискорення становить

. (6)

На останньому етапі можна вважати, що удар здійснюється жорстко без наявності проміжного шару ґрунту.

Графічні залежності прискорення гальмування від параметрів процесу очистки наведені на рис. 2.

Для виведення аналітичних залежностей з метою визначення кінематичних і технологіч-них параметрів запропоно-вано розрахункову схему (рис. ) взаємодії гвинтових циліндричних очисних елементів з коренеплодом. |

Рис.2. Залежності прискорення гальмування коренеплоду: 1 - від початкових напружень пластичної деформації ; 2 - від зведеної жорсткості прутка транспортера і коренеплоду; 3 – від висоти падіння h

Рух коренеплодів розглядався в осях інерційної системи координат , вісь якої направлена паралельно осям вальців, рис. 3.

Рис. 3. Розрахункова схема взаємодії коренеплоду з циліндричними гвинтовими очисниками з радіально зміщеними геометричними осями шнеків | Опис вальців проводився у власних системах координат та .

При довільних значеннях та , величина зазору S між поверхнями вальців буде:

, (7)

де –абсолютна величина міжцентрової віддалі,

; (8)

а саме: ;

,

де та – відповідно радіуси вектори центрів власних систем координат та відносно своїх осей обертання; та – відповідно радіуси вектори довільної точки кожної циліндричної поверхні у власних системах координат ; – радіус вектор відрізка, що з’єднує нерухомі осі обертання кожного вальця; та – кутові швидкості обертання кожного із вальців; та –початкове кутове розміщення векторів ексцентриситетів в момент часу t = 0.

Приймали, що коренеплід моделюється сферою радіусом і при переміщенні по поверхні вальців він дотикається до кожного з них.

Складові швидкості коренеплоду при безвідривному транспортуванні

;

, (9)

де – кутовий параметр розміщення коренеплоду.

Подальші дослідження показали, що ефективність використання гвинтових циліндричних сепараторів з радіально зміщеними геометричними осями шнеків суттєво залежить від вибраних режимів роботи, тому розглянемо 5 можливих варіантів вибору параметрів очисника.

1. Перший, найбільш загальний варіант конструкції сепаратора, коли циліндричні гвинтові очисники мають різні колові швидкості (1 2). Для нього характерним є те, що зазор між вальцями в загальному випадку може змінюватись від максимально можливого до мінімального. Такі режими не рекомендуються тому, що максимальний зазор перевищуватиме допустимий за умови непроходження кондиційних коренеплодів.

2. Другий варіант, коли вальці очисника мають однаковий радіус з однаковими ексцентриситетами обертання і однаковими швидкостями (по ходу переміщення вороху), причому монтажні кути встановлення обох ексцентричних шнекових вальців одинакові, тобто ; ; ; . Тоді зазор між шнеками буде постійний і рівний номінальному:. З точки зору попередження втрат цей варіант найбільш привабливий.

3. Третій варіант, коли , , , тобто коли валки мають різний ексцентриситет.

Рис. 4. Траєкторія руху коренеплоду для різних значень е першого вальця: 1 - е1 = 0,005 м; 2 - е1 = 0,01 м;

3 - е1=0,015 м при r1 =r2 = 0,06 м; 1 = 2 = 20с-; е = 0,01 м; R = 0,05м; 10 = 20 = 0; Sном = 0,04 м | Перевага такого режиму буде в тому, що невеликою зміною різниці ексцентриситетів вальців можна досягнути певної деформації вороху в міжвалковому просторі, яка не буде пошкоджувати коренеплід, проте буде достатньою для подрібнення грудок ґрунту, меншої величини.

Крім цього зміною ексцентриситету можна регулювати напрямок осцилюючого руху, рис. 4.

4. Четвертий варіант, коли , , , .

Проте велике коливання зазору між валками не дозволяє рекомендувати режими при для впровадження, що суттєво відрізняє дані очисники від еліпсних, де такі режими є оптимальними. |

5. П’ятий компромісний варіант, коли . На рис. 5 показана зміна зазору між вальцями (а) та траєкторія руху коренеплоду (б) в валках, що встановлені з різними монтажними кутами при .

Аналіз можливих режимів роботи шнекового очисника з радіально зміщеними геометричними осями показав, що він має ширший діапазон регулювання режимів роботи порівняно з еліпсними очисниками і суттєво простіший від них у виготовленні.

Рис. 5. Зміна величини зазору між вальцями (а) та траєкторія руху коренеплоду (б) в валках r1 = r2= 0,06 м при 1 = 2 = 20 с-1; е1 = е2 = 0,01 м; R = ,05 м; Sном = 0,04 м; 20 = 0, що мають різний монтажний кут встановлення:

1 -10 = р/4; 2 -10 = р/2; 3 -10 = р |

Схему транспортування вибирали згідно рис. 6, де коренеплід по очиснику проходить зліва направо, відповідно вальці обертались за годинниковою стрілкою (; ), а по осі - в додатньому напрямку.

Рис 6. Розрахункова схема взаємодії вальців із ворохом: 1,2,3,4, - очисні вальці із зміщеними осями обертання; 5 – перекидний валець; 6 – консольний валець

Рівняння безвідривного руху коренеплоду із врахуванням сил інерції мають вигляд

;

; (10)

,

де - кут підйому гвинтового рифа по діаметру вальця; ; - сили реакції на коренеплід зі сторони валків; - коефіцієнт тертя коренеплода до поверхні валків; - кутові параметри, що визначають розміщення точок дотику окремого коренеплоду до вальців та рифа; та - відповідно координати центра коренеплоду і точки його контакту із рифом.

Враховуючи те, що частота коливань буде для всіх коренеплодів, чи частиночок вороху одинакова, і що для кожного го коренеплоду зміна реакцій відбувається по гармонічному закону, то сумарна реакція вальця на ворох також буде гармонічною функцією з тією ж круговою частотою і приведеною величиною зсуву фаз

. (11)

Умови переходу коренеплоду через вальці визначались за швидкістю відскоку коренеплоду від удару крайнього витка із зворотньою навивкою

, (12)

де - вектор усередненої швидкості коренеплоду по руслу до удару, із врахуванням осцилюючого руху; - коефіцієнт, який враховує втрати швидкості на подачі обертового руху ; - вектор швидкості рифа в точці контакту; - коефіцієнт відновлення швидкості при ударі; - нормаль до поверхні рифу в точці контакту.

Закон зміни маси вороху на розвідних та звідних вальцях визначався відповідно за залежностями

;

, (13)

де та - відповідно коефіцієнт сепарації окремо розвідного та звідного русел базового очисника; - сумарна маса коренеплодів, що надходить в час на очисник за одне завантаження за одиницю часу; - сумарна маса домішок ґрунту і рослинних залишків, що надходить на очисник як порція (за одиницю часу); , - кількість домішок, що відділилась між 1 і 2 та 3 і 4 вальцями; та - параметри моделі, що оцінюють вплив осцилюючого руху.

Завантаження шестирядного комбайна розглядалось у три потоки від відповідних пар копачів. Граничний час перебування вороху в k – му потоці

, (14)

де - коефіцієнт, що визначає шлях проходження русла, як частку половини загальної довжини шнека; .

Маса вороху на розвідних та звідних валках із врахуванням просіювання

,

, (15)

де - середній коефіцієнт шляху проходження вороху;  - інтегральний усереднений коефіцієнт впливу різних шляхів потоків на масу відсепарованого грунту.

Сумарна потужність очисника відповідно

, (16)

де - функція, що враховує розміщення вороху та відцентрове прискорення коливного його руху.

Отже, в результаті теоретичного аналізу для експериментальних досліджень були прийняті такі основні межі параметрів: кутова швидкість обертання вальців – 10  рад/с; зазор між вальцями – 0,035 – 0,065 м.

У третьому розділі наведена програма експериментальних досліджень очисника з використанням стандартних та спеціально розроблених методик. Програма експериментальних досліджень передбачала проведення комплексу експериментальних досліджень з метою визначення ступеня відділення налиплого ґрунту на поверхні тіла коренеплодів та їх ступеня пошкодження від зміни величини імпульсного навантаження з різними поверхнями співудару; проведення попередніх пошукових лабораторних досліджень сепаратора для встановлення домінуючих факторів, які впливають на параметри оптимізації; лабораторні дослідження втрат, забрудненості і пошкодження коренеплодів. Крім цього проведена порівняльна оцінка ефективності використання коренезбиральної машини МКП-4, обладнаної розробленим сепаратором і базової машини в умовах господарства та визначено основні показники якості роботи.

Для проведення лабораторних досліджень виготовлено лабораторну установку, конструктивно-компонувальну схему якої зображено на рис.7.

Процес роботи очисної системи здійснюється наступним чином. Ворох надходить до завантажувального транспортера 3, коренеплоди скочуються з нього і потрапляють на гвинтовий циліндричний сепаратор. Переміщаючись сепаратором коренеплоди активно очищуються від землі і рослинних решток. Привід робочих органів здійснюється від гідромоторів 9 і 10, що живляться від гідростанції 15 привідним електродвигуном 1.

Рис. 7. Принципова схема лабораторної установки для дослідження технологічного процесу сепарації коренеплодів

а б

Рис. 8. Гвинтовий циліндричний сепаратор з радіально зміщеними геометричними осями шнеків:

а – робочі валки; б – загальний вигляд

Частота обертання гідромоторів регулюється за допомогою зміни кількості подачі масла за допомогою дроселів 13 і 14.

При проведенні лабораторних експериментальних досліджень користувались наступними конструктивно  кінематичними параметрами гвинтово-циліндричного сепаратора: діаметр циліндричних вальців рівний  ,18 м; зазор між валами  ,045 м.

Крок вальця  ,25 м; висота рифа  ,03 м; кількість обертів циліндричних вальців 160 – об/хв; величина ексцентриситету  мм.

Для проведення польових експериментальних і порівняльних досліджень розробленого сепаратора був використаний дослідний зразок удосконаленої причіпної коренезбиральної машини МКП-4 (рис.9), яку розроблено в СКБ ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”.

Рис. . Конструктивно-компонувальна схема причіпної коренезбиральної модернізованої машини МКП-4:

1 - рама; 2 - копіювальне колесо; 3 – причіпний пристрій; 4 - вібраційні лемішні копачі; 5 – гвинтовий циліндричний сепаратор; 6 - повздовжній транспортер; 7 - завантажувальний транспортер;

8 – лопатевий бітерний вал; 9 – опорне колесо

У четвертому розділі наведено аналіз результатів експериментальних досліджень.

На основі експериментальних польових досліджень було визначено ступінь відділення грунту від коренеплодів при їх імпульсному навантаженні. Результати отриманих досліджень подано у вигляді графічних залежностей, що представлені на рис.10.

Заштриховані точки вказують на масу чистих коренеплодів, які після проведення досліджень відмивали та зважували.

Ступінь відділеного ґрунту при одному імпульсному навантаженні коренеплоду з різними матеріалами робочих органів є у всіх випадках вищий у дрібних буряків порівняно з крупними в середньому в 1,67 разів. Найбільша різниця (у 1,76 разів) спостерігається при взаємодії коренеплодів з металевою плитою, далі з прутковим полотном (у 1,67 разів), а найменша для гумової поверхні (у 1,57 разів).

а б

Рис.10. Зміна маси т коренеплодів з налиплим ґрунтом від кількості n їх ударних взаємодій з прутковим полотном при висоті подачі 1,0м:

а – крупні коренеплоди; б – дрібні коренеплоди

Таким чином при зростанні еквівалентної висоти подачі коренеплодів від 0,5 до 1,0 м ступінь сепарації практично не змінюється, а його суттєве зростання спостерігається при збільшенні h до 1,5 м.

Необхідно відмітити, що при висоті подачі коренеплодів з 0,5 м швидкість ударної взаємодії коренеплодів з робочим органом становить  = 3,1 м/с; при  = 1 м –  = 4,43 м/с; при  = 1,5 м –  = 5,4 м/с.

Швидкість ударної взаємодії більша ніж 4 м/с при взаємодії коренеплодів з металевою поверхнею призводить до їх підвищених пошкоджень. З проведеного аналізу можна зробити висновок, що при очистці коренеплодів останнім доцільно надавати незначні імпульсні навантаження до 2 кг м/с при їх проходженні в технологічних руслах машин, а частота їх повторювань повинна бути не менше 8 - 10 разів для забезпечення якісної очистки вороху коренеплодів.

Інша серія експериментів проводилась при вологості грунту 18З проведеного аналізу можна зробити висновок, що при очистці коренеплодів останнім доцільно надавати незначні імпульсні навантаження до 2 кг м/с, а частота їх повторювань повинна бути не менше 6 - 7 разів.

Експериментальні дослідження процесів сепарації проводилися для встановлення домінуючих факторів, які мають найбільший вплив на показники якості відокремлення домішок від коренеплодів технологічного вороху, що надходив на очисну систему.

Досліджували також залежності втрат, пошкодження і забрудненості коренеплодів від кількості обертів гвинтових циліндричних очисників, величини ексцентриситету та зазору між валами, тобто відповідно: В= ѓ(n, e, h), П ѓ(n, e, h), З = ѓ(n, e, h).

На основі експериментальних даних одержано рівняння регресій, які характеризують зміну втрат, пошкодження та забруднення коренеплодів залежно від величини ексцентриситету та зазору між вальцями.

;

; (16)

.

Аналіз регресійних залежностей показує, що основні показники якості роботи сепаратора функціонально залежать від встановлених факторів: із збільшенням зазору h між валами і величини ексцентриситету е втрати і пошкодження коренеплодів зростають, а забрудненість – зменшується.

Згідно рівнянь регресії побудовано поверхні відгуку забрудненості та пошкодження (б) від величини зазору між валами та величини ексцентриситету , які побудовані за допомогою ПК (рис. 11).

Аналізуючи поверхню відгуку (рис. 11, а) можна зробити висновок, що із збільшенням величини ексцентриситету і зазору між валами забруднення коренеплодів зменшується від 8,5до 3,5(е = 4 мм) і від 6,2до 1,9(е  мм) при відповідних зазорах між валами h =35 і 53 (мм).

а б

Рис.11. Поверхні відгуку залежності забрудненості (а) та пошкодження (б) коренеплодів

Із збільшенням зазору між валами від 35 мм до 45 мм спостерігається швидке зменшення відсотка забрудненості коренеплодів – від 6,2(h = 35 мм) до 3,0(h = 45 мм) при е = 12 мм, або приблизно 0,36 % на кожен міліметр зазору. При подальшому збільшенні зазору між валами спостерігається зменшення забрудненості коренеплодів – при h = 45 мм вона становить 2,7а при h = 53 мм відповідно 1,9або 0,1на кожен міліметр зазору.

Із збільшенням величини ексцентриситету і зазору між валами пошкодження коренеплодів зростають (рис. 11, б).

При цьому можна зробити висновок, що із збільшенням величини ексцентриситету пошкодження коренеплодів збільшуються – від 5,2до 8,5(е = 4 мм) і від 5,9до 10,0(е = 12 мм) при відповідних зазорах між валами h і 53(мм). Із збільшенням зазору між валами від 35 до 45 мм спостерігається поступове зростання пошкодження коренеплодів – від 5,9 (h = 35 мм) до 7,6(h = 45 мм) при е = 12 мм.

При подальшому збільшенні зазору між валами, приріст показника П істотний – при h = 50 мм пошкодження коренеплодів становлять 9

Провівши оптимізаційний розрахунок рівняння регресії (16) за допомогою методу двомірних перерізів встановили, що для даних умов протікання процесу відсоток забрудненості, втрат і пошкодження коренеплодів приймає раціональні значення при h = 50 (мм), е = 12 мм.

Критерії оптимізації, розраховані за допомогою рівнянь регресій, в цих точках відповідно складає 2,95; 0,78 і 9,1%.

Таким чином, вибір раціональних конструктивних параметрів гвинтового циліндричного сепаратора повинен проводитися на основі вирішення технічного протиріччя між ступенем пошкодження коренеплодів із однієї сторони та їх забрудненості з другої сторони при врахуванні максимально допустимого зазору (h повинен бути рівним або меншим 50 мм).

В результаті проведеного аналізу встановлено, що найвища ступінь сепарації вороху, а саме: мінімальні пошкодження коренеплодів та найменша їх забрудненість рослинними рештками і грунтом забезпечується при наступних конструктивно-кінематичних параметрах гвинтово-циліндричного сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків: діаметра циліндричних вальців рівному D ,18 м; зазорі між валами h ,05 м; кроку вальця Т ,25 м; висоті рифа Н = 0,03 м; кутовій швидкості обертання циліндричних вальців 12,7 рад/с; величині ексцентриситету е > 8 мм.

Обробка результатів експериментальних досліджень з визначення ступеня пошкодження коренеплодів при їх взаємодії з гладкими поверхнями очисників здійснювалась за планом повнофакторного експерименту. В результаті отримали рівняння регресії залежно від швидкості ударної взаємодії V та маси коренеплоду

. (17)

Залежність (17) може бути використана для оцінки плями контакту тіла коренеплоду при його ударній взаємодії з очисними вальцями у визначеній області зміни даних факторів (4,5 < V < ,0 м/с; 0,55 < m < ,85 кг) в залежності від конструктивних і технологічних параметрів сепаруючих органів.

Оскільки маса коренеплоду є некерованим фактором, то вибір кінематичних параметрів робочих органів потрібно здійснювати виходячи з найбільш крупних коренеплодів і врожайності.

Також необхідно мінімізувати швидкість ударного зіткнення для зменшення пошкоджень поверхні коренеплодів, забезпечуючи при цьому вище вказану величину ударних iмпульсів та їх кількість.

Польові порівняльні дослідження експериментальної модернізованої коренезбиральної машини МКП-4, яку було обладнано гвинтовим циліндричним сепаратором із радіально зміщеними геометричними осями шнеків проводились на полях Львівської зональної державної машинно-випробувальної станції в період збирання цукрових буряків (жовтень 2003 р.) в порівнянні з базовою серійною машиною МКП-4.

Загальна кількість домішок у воросі зібраних коренеплодів зменшується із 8,9у серійної машини до 6,4тобто приблизно в 1,4 рази, при цьому кількість налиплої землі на коренеплодах становить 0,6 %, тоді як у базової машини цей показник дорівнює 1,1 %, тобто зменшується в 1,8 рази, або на 46,5 %. Зменшення загальної кількості забрудненості вороху коренеплодів (в тому числі кількості налиплої землі на коренеплодах) відбувається за рахунок того, що в процесі транспортування вороху гвинтовим циліндричним сепаратором коренеплоди отримують додатковий осцилюючий рух вздовж осей обертання очисних валів, при цьому вони інтенсивно очищуються від налиплої землі, а домішки просіюються в зазор між валами.

Зниження ступеня пошкодження коренеплодів можна досягти за рахунок зменшення висоти рифа.

У п’ятому розділі наведено інженерний та економічний розрахунки гвинтового циліндричного сепаруючого робочого органу, методику розрахyнку раціональних параметрів очисника та їх рекомендовані значення, визначено економічну ефективність його використання.

Розрахунок економічної ефективності свідчить, що розроблена конструкція очисника дозволяє якісно виконувати технологічний процес. Прогнозований річний економічний ефект розробки гвинтового циліндричнoго сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків складає 7150 грн. на одну машину.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.У дисертаційній роботі вперше вирішується наукова задача, яка полягає у визначені основних параметрів роботи сепаратора з метою покращення ступеня сепарації коренеплодів, зниження рівня їх пошкодження та забруднення. Процес очистки вороху цукрових буряків із застосуванням традиційних шнекових очисників не забезпечує ефективної сепарації, тому вдосконалення робочих органів очисників бурякозбиральних машин залишається актуальним на даному етапі розвитку сільськогосподарської техніки.

2. Вперше на основі математичного моделювання процесу сепарації коренеплодів при їх імпульсному навантаженні встановлено, що для очистки основної маси ґрунту необхідно 1-2 імпульси, ще 2-3 імпульси необхідно для струшування невеликих часточок ґрунту і на завершальному етапі слід застосувати падіння коренеплоду із висоти 1...1,5 м на пруткове полотно, або вийти на швидкість взаємодії.

3. Теоретичними дослідженнями процес сепарації коренеплодів визначено: осі обертання розвідних гвинтових циліндричних елементів повинні бути зміщені відносно геометричної осі на величину ексцентриситету  ...12 мм, ексцентриситети звідних гвинтових циліндричних елементів розміщені в однакових положеннях або зміщені один відносно одного на 90  °. Вісь обертання перекидного вальця відносно площини розміщення звідних і розвідних шнеків піднята на висоту =30...60 мм, а вісь обертання консольних вальців піднята відносно площин розміщення звідних шнеків на висоту .

4. Розроблена конструкція покращує процес сепарації коренеплодів та зменшує матеріалоємність пристрою. За результатами експериментальних досліджень визначені раціональні параметри та режими роботи очисника: діаметр циліндричних вальців рівний D= ,18 м; зазор між валами  ,045 м; крок вальця  ,25 м; висота рифа  ,03 м; кількість обертів циліндричних вальців 160 – 250 об/хв; величина ексцентриситету  мм.

5. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що ступінь відділеного ґрунту при імпульсному навантаженні коренеплодів з різними типами робочих органів є у всіх випадках вищий для дрібних буряків порівняно з крупними в середньому в 1,67 разів. При очистці коренеплодів останнім доцільно надавати незначні імпульсні навантаження до 2 кг·м/с, а частота їх повторювань 8-10 разів (при вологості грунту 14  і 6-7 разів при вологості 18

6. Згідно результатів проведених досліджень встановлено, що модернізований очисник покращує процес очистки коренеплодів при цьому: втрати становлять 0,22  ,95відсоток пошкодження коренеплодів складає 5,2- та відсоток забруднення від 1,9і не більше 6,2Відсоток втрат коренеплодів є прийнятним при е 4 мм, h  мм. Відсоток пошкодження коренеплодів знаходиться в прийнятних межах при зміні факторів 35 < h < 55; 4 < е < 12. Раціональними при забрудненні є параметри ексцентриситету і зазору в межах 4< е , h > 45 мм.

7. Розроблена оптимізаційна модель сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків із використанням умови Куна-Таккера на основі вирішення задач нелінійного програмування функцій Лагранжа. На основі аналізу всіх можливих варіантів функції обмеження розроблено блок- схему алгоритму оптимізації та елементи програмного забезпечення для визначення оптимальних конструктивних і технологічних параметрів з побудовою номограми оптимізації.

8. Проведено випробування модернізованого очисника (Патент № 40286А), які підтвердили його перевагу над базовим очисником коренезбиральної машини МКП –4. В результаті проведених досліджень на Львівській МВС встановлено, що величина домішок для серійної машини становить 8,9проти 6,4для модернізованої, втрати 1,3для серійної проти 1для модернізованої.

9. Розроблена інженерна методика проектування гвинтового циліндричного сепаратора, що забезпечує зменшення його маси в порівнянні з існуючими на 15...22і покращує динамічні параметри сепаратора. Технічна новизна розробок захищена 3 – ма патентами України на винаходи. Очікуваний річний економічний ефект від застосування гвинтового циліндричного сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків складає 7150 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Вивюрка Н.Є. Дослідження інтенсивності відділення грунту від коренеплодів при імпульсному їх навантаженні Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст. ЛДТУ. – Вип. 10. – Луцьк: Ред. – вид. відділ ЛДТУ, 2002. – С. – 69.

2. Гевко Б. М., Вивюрка Н. Є. Конструкторсько – технологічні схеми сепараційних робочих органів бурякозбиральних машин Вісник Тернопільського державного технічного університету. – Тернопіль: ТДТУ, 2000. – Том 5 (№3). – С. – 33 (особистий внесок – запропонувала конструктивні схеми очисників коренеплодів).

3. Гевко І. Б., Вивюрка Н. Є. Дослідження шнекових очисників коренеплодів зі зміщеною віссю обертання // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст., Вип. 8. – Луцьк: Ред. – вид. відділ ЛДТУ, 2001. – С. – 90 (особистий внесок – запропонувала схему взаємного розміщення коренеплоду та вальців).

4. Ткаченко І. Г., Вивюрка Н. Є. Результати експериментальних досліджень з визначення ступеня відділення грунту від коренеплодів при їх імпульсному навантаженні // Вісник аграрної науки Причорномор’я. Вип. 4, 2002. – С. 133 – 138 (особистий внесок – провела експериментальні дослідження).

5. Гевко І. Б., Вивюрка Н. Є. Стенд для дослідження характеристик гвинтових транспортно – технологічних механізмів Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст., Вип. 10. – Луцьк: Ред. – вид. відділ ЛДТУ, 2002. – С. –80 (особистий внесок – запропонувала схему стенда гвинтового циліндричного сепаратора).

6. Гевко Б. М., Вивюрка Н. Є. Результати експериментальних досліджень з визначення ступеня пошкодження коренеплодів при їх взаємодії з гладкими поверхнями очисників // Вісник аграрної науки Причорномор’я. Спеціальний випуск 4 (18). Том 1. – Миколаїв: МДАУ, 2002 – С. 115 – 120 (особистий внесок – вивела рівняння регресії пошкодження коренеплодів залежно від маси коренеплодів та швидкості ударної взаємодії).

7. Гевко І. Б., Вивюрка Н. Є. Оптимізація конструктивних параметрів шнекового очисника зі зміщеною віссю обертання // Науковий вісник Національного аграрного університету. Вип. 60. – К.: НАУ, 2003. – С. 150 – 155 (особистий внесок – запропонувала методику проведення оптимізації).

8.Гевко І. Б., Вивюрка Н. Є. До визначення режимів роботи циліндричного шнекового очисника зі зміщеною віссю обертанняЗбірник наукових праць Національного аграрного університету. Том 15.- Київ: Видавничий центр НАУ, 2003 – С.  – особистий внесок – запропонувала можливі варіанти режимів роботи шнекового очисника).

9. Гевко І. Б., Вивюрка Н. Є. Результати експериментальних досліджень гвинтових циліндричних сепараторів зі зміщеною віссю обертання Механізація і енергетика сільського господарства. Том 6.- Київ: Видавничий центр НАУ, 2003. – С.  – (особистий внесок – запропонувала конструктивно – компонувальну схему лабораторної установки для дослідження технологічного процесу сепарації коренеплодів гвинтовим циліндричним сепаратором).

10. Ткаченко І. Г., Вивюрка Н. Є. Математичне моделювання динаміки очищення коренеплодів при їх падінні на робочу поверхню Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. 20. – Харків, 2003. – С. – (особистий внесок – запропонувала розрахункову схему для моделювання процесу падіння коренеплоду на робочу поверхню).

11. Патент України № 40286А на винахід, МКИ В 65G33/165. Транспортно- очисний пристрій коренеплодів / Гевко І.Б., Вивюрка Н.Є. Бюл. №6, 2001 (особистий внесок – запропонувала конструктивну схему робочого органу гвинтового циліндричного сепаратора).

12. Патент України № 49468А на винахід МКИ А 01D33/08 “Шнековий очисник- сортувальник”/ Гевко І.Б., Паньків М.Р, Вивюрка Н.Є. Бюл. № 9, 16.09.2002 (особистий внесок – провела опис конструктивної схеми удосконаленого очисника вороху коренеплодів).

13. Патент України № 61351А на винахід, МКИ В65G33/16. Стенд для дослідження характеристик гвинтових подавальних механізмів / Гевко Ів.Б., Гевко Іг. Б., Вивюрка Н.Є. Бюл. №6, 2003 (особистий внесок – запропонувала схему стенда).

14. Вивюрка Н.Є. Дослідження характеристик гвинтових сепараторів коренеплодів Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 22-24 квітня, 2003.- Тернопіль: ТДТУ. – с. 41.

15. Ткаченко І.Г.,  Вивюрка Н.Є. Стенд для дослідження гвинтових сепаруючих механізмів Матеріали 6-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові, 21-23 травня, 2003.- Львів: Національний університет “Львівська політехніка”.

АНОТАЦІї

Влас Н. Є. Обґрунтування параметрів гвинтового циліндричного сепаратора з радіально зміщеними геометричними осями шнеків. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. -Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, Тернопіль, 2004.

Дисертаційна робота присвячена питанням покращення якості очистки коренеплодів шляхом розробки нової конструкції гвинтових циліндричних сепараторів з радіально зміщеними геометричними осями шнеків. Проаналізовано можливі варіанти режимів роботи очисників, розроблено математичну модель процесу очистки коренеплодів при їх імпульсному навантаженні. Проведені польові дослідження дозволяють визначити ступінь відділення ґрунту від коренеплодів при їх імпульсному навантаженні. Виведено рівняння регресії, яке дає можливість оцінити ступінь пошкодження коренеплодів залежно від швидкості ударного контакту та маси коренеплоду. На основі експериментальних досліджень встановлено процент втрат, пошкодження та забруднення коренеплодів.

Ключові слова: сепаратор з радіально зміщеними геометричними осями шнеків, коренеплід, імпульсне навантаження, математична модель, балансування, конструктивно – технологічні параметри.

Влас Н. Е. Обоснование параметров винтового цилиндрического сепаратора с радиально смещенными осями вращения шнеков - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Тернопольский государственный технический университет им. И. Пулюя, Тернополь, 2004.

Рассматриваемые материалы из литературных источников показали, что вопрос повышения качества очистки корнеплодов не иследован должным образом.

На основе патентных исследований разработана конструкция винтового цилиндрического сепаратора с радиально смещенными осями вращения шнеков. Целью исследований является обеспечение качественной очистки корнеплодов винтовыми цилиндрическими сепараторами корнеуборочных машин с росширенными технологическими возможностями и минимальными повреждениями с учётом результатов исследований импульсных нагрузок.

Проведено математическое моделирование процесса очистки корнеплодов при их импульсной нагрузке. В итоге установлено, что для очистки корнеплодов от почвы необходимо 1-2 импульса, ещё 2-3 импульса для стряхивания небольших частиц почвы. Рассмотрено возможные варианты выбора параметров очистителя.

Планирование исследований базировалось на составлении плана полнофакторного експеримента ПФЕ. В результате обработки результатов експериментальных исследований выведены уравнения регресии зависимости степени повреждения корнеплодов от характера ударного контакта и массы корнеплода. Экспериментальным путём определена степень отделения почвы от корнеплодов при их импульсной нагрузке.

Разработан и изготовлен опытный стенд для исследования характеристик винтовых транспортно-технологических механизмов сельскохозяйственных машин. Определены основные показатели экономической эффективности использования винтового цилиндрического сепаратора, полученные за счет улучшения качества работы.

Разработана конструкция рабочих органов модернизированого сепаратора направлена на повышение качества сепарации, уменьшения повреждений и загрязнённости корнеплодов.

Конструктивная новизна разработок защищена патентами Украины на изобретения.

Ключевые слова: сепаратор с радиально смещенными осями вращения шнеков, корнеплод, импульсная нагрузка, математическая модель, балансирование, конструктивно - технологические параметры.

Vlas N. Ye. Analysis of parameters of screw cylindrical separator with radial shifted geometrical screw axes. – Manuscript.

Thesis for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) in speciality 05.05.11 – Machines and devices of agricultural production mechanization