ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

ЛУБКО Дмитро Вікторович

УДК 631.362.3 – 032.2: 635.64

ОбГрунтування параметрів і режимів роботи
гідродинамічного сортувальника плодів томатів

комбайнових зборів за ступенем зрілості

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Мелітополь – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Тарасенко Володимир Віталійович,

Таврійська державна агротехнічна академія,

професор кафедри сільськогосподарських машин

Офіційні опоненти: –

доктор технічних наук, професор Завгородній Олексій Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідувач кафедри вищої математики; –

кандидат технічних наук, доцент Стручаєв Микола Іванович, Таврійська державна агротехнічна академія, доцент кафедри гідравліки і теплотехніки.

Провідна установа: Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра сільськогосподарських машин, Міністерство аграрної політики України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “17” березня 2006 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії,
м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького, 18, навчальний корпус 1, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії (72312 Україна, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б. Хмельницького, 18).

Автореферат розісланий “ 1 ” лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.О. Мунтян

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одною з умов підвищення ефективності виробництва плодів томатів вважається впровадження повної механізованої технології їх доробки. Але в технологічний процес роботи багатьох томатозбиральних комбайнів не входить операція доробки плодів - сортування їх за ступенем зрілості.

В зв'язку з цим тема даної дисертаційної роботи, що пов’язана з обґрунтуванням параметрів та режимів роботи високопродуктивних ліній гідросортування томатів за ступенем зрілості, які б забезпечували необхідну точність сортування плодів, дозволяли б скоротити витрати ручної праці та були простими в роботі й експлуатації, є дуже актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт Таврійської державної агротехнічної академії: “Розробка машин для виробництва овочів відкритого ґрунту”, яка є складовою частиною галузевої тематики Міністерства аграрної політики України – державний реєстраційний № 0104U003924.

Мета і завдання дослідження полягають у покращенні якісних характеристик та підвищенні продуктивності праці лінії сортування плодів томатів шляхом оптимізації конструктивно-технологічних параметрів і режимів її роботи. Для досягнення поставленої мети потрібно:

? дати оцінку технологічним процесам доробки плодів томатів і обґрунтувати
вибір найкращого способу сортування за ступенем зрілості на лінії їх дороб-
ки;

? вивчити основні фізико-механічні характеристики плодів томатів для визна-
чення придатності їх до гідросортування;

? розробити теоретичну модель процесу спливання плодів томатів у потоці рі-
дини, в тому числі у насиченому повітрям дисперсному шарі гідролотка лінії
сортування;

? обґрунтувати раціональні конструктивно-технологічні параметри й режими
роботи гідродинамічного сортувальника, з використанням дільника повітря-
ного потоку (ДПП);

? провести аналіз техніко-економічної ефективності використання лінії сорту-
вання плодів томатів за ступенем зрілості (із ДПП) у порівнянні з існуючим
прототипом.

Об’єкт дослідження. Технологічний процес гідродинамічного сортування плодів томатів комбайнових зборів на гідросортувальнику лінії їх доробки.

Предмет досліджень. Встановлення закономірностей взаємодії основних факторів, які впливають на процес гідросортування плодів на гідродинамічному сортувальнику лінії їх доробки.

Методи досліджень. Поставлена задача вирішена шляхом теоретичного дослідження процесу гідродинамічного сортування плодів томатів в потоці рідини. При проведенні теоретичних та експериментальних досліджень використані методи математичної статистики. Експериментальні дослідження проведено згідно з загальноприйнятими методиками. Вони передбачали використання планування багатофакторного експерименту. На лабораторній експериментальній установці визначались параметри та режими роботи гідродинамічного сортувальника для покращання ефективності роботи лінії сортування.

Також для розв’язання поставлених задач застосовано методи диференційно-інтегрального числення, кореляційного та регресивного аналізу даних. При розв’язанні диференційних рівнянь теоретичної частини та проведенні статистичного аналізу експериментальних даних використано ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів:–

встановлені найбільш придатні для гідросортування сорти томатів;–

розроблено інженерний метод для визначення конструктивно-технологічних
параметрів та режимів роботи гідросортувальника лінії сортування;–

обґрунтовано параметри та режими роботи гідросортувальника лінії сорту-
вання плодів томату за ступенем зрілості. Це дозволило підвищити загальну
точність сортування плодів лінії на 23%, в порівняні з сортувальною лінією
ПФГ-20Е та на 18% в порівнянні з сортувальним пунктом СПТ-15.

Особистий внесок автора. Дисертантом особисто:–

дослідженні фізико-механічні властивості плодів томатів [1];–

одержані та обґрунтовані аналітичні вирази, які описують процес гідродина-
мічного сортування плодів томатів в потоці води гідролотка лінії [2, 3];–

розроблена методика розрахунку щодо визначення конструктивно-техноло-
гічних параметрів та режимів лінії сортування томатів;–

експериментально встановлена залежність впливу пристрою, що насичує по-
вітрям потік води сортувальника, на якісні показники роботи лінії [4, 5];–

визначені конструктивно-технологічні параметри та режими роботи лінії сор-
тування плодів томатів за ступенем зрілості [4, 6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення результатів дисертаційної роботи доповідались на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Таврійської державної агротехнічної академії (1999-2005 р.р.); на Пленарному засіданні ювілейної 50-ої науково-технічної конференції Таврійської державної агротехнічної академії (1997 р.); на науково-технічній конференції аспірантів та магістрів Таврійської державної агротехнічної академії (1999 р.); на третій міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” у Харківському державному технічному університеті сільського господарства (2004 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції „Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” в смт Кирилівка Якимівського району Запорізької області (2005 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 6 робіт, у тому числі дві без співавторів. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, внесок здобувача - 80%.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, основної частини (п’ять розділів), загальних висновків, списку використаної літератури та додатків. Основна частина роботи викладена на 147 сторінках та містить 18 таблиць і 68 рисунків. Список використаних джерел включає 107 найменувань. Додатки розміщено на 61 сторінці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета та основні задачі досліджень, показано зв’язок з науковими програмами і планами.

У першому розділі “Стан проблеми. Постановка задачі” зроблено аналіз існуючих технологій доробки плодів томатів. Приведено класифікацію і аналіз способів сортування плодів томатів за ступенем зрілості (табл. 1). Зроблено обґрунтування і проведено вибір перспективного технологічного процесу та способу сортування плодів томатів за ступенем зрілості.

Питанням післязбиральної доробки плодів томатів присвячені праці Тарасенка В.В., Майковського І.А., Руденка М.Ю., Колчіна М.М., Диденка М.Ф., Ра-бінера М. Я. Ними запропоновані нові схеми технологічних процесів сортуван-ня томатів на лініях за ступенем зрілості, але були не обґрунтовані раціональні параметри та режими гідросортувальних ліній, які використовують розподіл плодів томатів в потоці рідини за їх щільністю та траєкторіями спливання. Також в їх працях не проведено аналіз фізіко-механічних властивостей сортів томатів придатних для гідросортування. Проведений нами аналіз технологічних процесів сортування томатів за ступенем зрілості показав, що краще за все цей процес проводити на стаціонарній сортувальній лінії, яка забезпечує максимальну продуктивність і якість сортування при мінімальних витратах праці і часу.

Проаналізував всі існуючі способи сортування плодів томатів за ступенем зрілості (табл.1) визначено, що найбільш перспективним є саме спосіб гідродинамічного сортування плодів за різницею в щільності зрілих і незрілих плодів.

Цей спосіб забезпечує високу продуктивність та має досить низький ступінь технічної складності. Однак недоліком цього способу є не дуже велика точність сортування (до 82%). Отже розробка раціональної технологічної схеми процесу гідросортування плодів та обґрунтування параметрів та режимів такого пристрою дозволяє значно збільшити цей показник.

Таблиця 1 –

Способи сортування плодів томатів за ступенем зрілості

Спосіб сортування
плодів томатів | Продук-тивність,
т/год | Кількість
фракцій,
шт | Точність
сортування, % | Ступінь
складно-
сті

За здатністю світловідображення плодів | 0,7...1,0 | 2...5 | 95...99 | 1

За здатністю фосфоресціювання плодів | 0,6...0,7 | 2 | 85…90 | 3

За твердістю плодів | 0,3...0,5 | 2...3 | 80...99 | 2

За щільністю плодів | 3...5 | 2 | 80…82 | 0,1

При виборі найбільш перспективного технологічного процесу гідросортування плодів томатів за ступенем зрілості (на лінії їх доробки) обґрунтовано і вирішено, що спочатку треба використовувати грубе сортування плодів на грубому гідродинамічному сортувальнику (ГГС), за різницею їх щільності і щільності води. А вже далі проводити більш якісне, тобто точне сортування плодів за різницею в траєкторіях спливання плодів “зеленого” та “червоного” ступеня зрілості - на точному гідродинамічному сортувальнику (ТГС). Це дозволило б підвищити загальну точність сортування плодів томатів на лінії до 88%.

Відомо, що існуючі технології гідросортування плодів томатів забезпечують загальну точність сортування лише до 82%. Якщо ж використати окрім застосування ГГС та ТГС ще й додаткове розділення плодів, використовуючи розроблений нами пристрій (так званий ДПП), який насичує потік води гідролотка ТГС бульбашками повітря, то цей показник можна збільшити.

Технологічний процес роботи лінії сортування томатів з використанням ДПП наступний (рис. 1). Спочатку сортування йде на ГГС таким чином.

Транспортером 3 плоди томатів завантажуються в гідролоток ГГС 4. Потрапивши в нього, плоди разом з потоком води рухаються до роздільника 5 і в залежності від різниці щільності між плодами та водою розподіляються таким чином, що основна маса червоних плодів (30…70% плодів в залежності від вхідного вороху та сортових особливостей плодів) тоне і потрапляє в контейнер 10. Всі ж зелені плоди та частина червоних спливає вище роздільника 5 та по жолобу 6 потрапляє до гідролотка ТГС 12.

А сортування плодів вже на ТГС продовжується так. При русі під дією потоку води і штовхача 11, всі плоди томатів занурюються ближче до дна гідролотка ТГС 12. Далі плоди рухаються під штовхачем 11 і виходячи з-під зони його впливу починають вільно спливати перед роздільником 14, і в залежності від своєї щільності та швидкості спливання набувають різні траєкторії руху в потоці. В результаті плоди потрапляють вище або нижче роздільника 14 – відбувається більш якісне їх сортування ніж на ГГС. Далі плоди потрапляють у контейнери 17 та 18 відповідних фракцій. Іноді всі червоні плоди після ТГС і ГГС направляються ще і на ручну інспекцію – стіл для сортування плодів.

Для того щоб поліпшити основний показник роботи лінії – загальну точність сортування плодів, нами пропонується встановити в ній додатковий пристрій. Він складається з компресора, ресивера, шланга і шести насадок-розпи-лювачів, що з'єднуються з шестипозиційним дільником повітряного потоку (ДПП) для подачі через насадки повітря в гідролоток з водою. Компресор з ресивером встановлюються біля лінії, а ДПП з насадками - на дні гідролотка ТГС.

Робота ТГС з дільником повітряного потоку – ДПП, здійснюється таким чином. Від компресора повітря шлангом надходить у ДПП, а далі в потік води ТГС через насадки-розпилювачі.

Таким чином, під час роботи лінії, всередині потоку лотка ТГС утворюється грубодисперсний шар - шар води, насичений бульбашками повітря. Плоди томатів виходячи з зони дії штовхача та починаючи вільне спливання в потоці ТГС, попадають у цей дисперсний шар і змінюють траєкторії свого спливання (в порівнянні зі спливанням без використання ДПП).

Через те, що всередині цього шару (який є сумішшю води та повітря) щільність менше щільності навколишньої води, то всі плоди проходячи крізь нього здобувають положисту траєкторію - ближче до дна гідролотка ТГС.

При цьому траєкторії спливання фракції “зелених плодів” змінюються мало, а траєкторії “червоних плодів” – на значно більшу величину, тому що їх щільність більше. Тобто при проходженні плодів крізь цей грубодисперсний шар – “червоні плоди” опускаються усередині шару на більшу глибину, ніж “зелені”. У результаті, це дозволяє більш ймовірніше направити фракцію “червоні плоди” нижче рівня роздільника, а фракцію “зелені” - вище. Після виходу плодів з цього шару вони продовжують спливати в ненасиченому повітрям потоці води. При дії ДПП ми відокремлюємо “червону” і “зелену” фракції одну від одної в залежності від траєкторій їх спливання по перетину гідролотка ТГС.

Основна мета встановлення ДПП в гідролоток ТГС – покращання сортування фракції “червоних плодів”: плодів саме бурого і рожевого ступеня зрілості, які знаходяться в зрівноваженому стані в середині потоку відносно перетину гідролотка ТГС. Тому що плоди саме цього кольору мають щільність, найбільш наближену до середньої щільності фракції “зелених плодів” (молочних та зелених) і саме вони погіршують точність сортування ТГС, спливаючи вище роздільника 14, куди повинні надходити тільки фракція “зелених плодів”.

Встановив роздільник 14 в потрібному місці ТГС по висоті, можна з високою вірогідністю прогнозувати попадання відповідних плодів у належну фракцію.

У заключній частині розділу сформульована мета і поставлені задачі досліджень. Основною метою цієї роботи стало визначення конструктивно-технологічних параметрів та режимів роботи ТГС з використанням ДПП, які дозволили б покращати якісні характеристики та підвищити продуктивність праці лінії гідросортування плодів томатів. А для цього необхідно проведення теоретичних та експериментальних досліджень процесу гідросортування томатів з застосуванням розробленого ДПП.

В другому розділі “Дослідження фізико-механічних і технологічних властивостей плодів томатів” були проаналізовані фізико-механічні і технологічні властивості різних сортів плодів томатів комбайнових зборів, які вирощуються в Україні. Ці дослідження необхідно було провести для їх застосування в якості вхідних даних при проведенні теоретичних та експериментальних досліджень процесу гідродинамічного сортування плодів на лінії їх доробки, а також для визначення сортів томатів найбільш придатних для гідросортування. Нами були розроблені методики визначення щільності та швидкості спливання плодів за допомогою сконструйованих нових приборів та устаткування.

Також була розроблена методика моделювання плодів томатів (використовувалися дерев'яні макети плодів). Вона дозволяє швидко виготовляти модель плоду томату будь-якої заданої заздалегідь щільності з високою точністю. Проведені дослідження фізико-механічних і технологічних властивостей плодів томатів містили в собі визначення сортів томатів, найбільш придатних для процесу їх гідросортування. Для цього необхідно було визначити і проаналізувати в попередньо обраних сортах середню щільність і швидкість спливання по фракціях “зелені” і “червоні” плоди. А далі на основі отриманих значень показників відібрати сорти томатів, які найбільш придатні для гідросортування.

При проведенні досліджень використовувалися такі сорти томатів: Леріка, Арізона, Консул, Місурі, Драгон, Пето-86, ВВ 6800, Ріо-Гранде, Сквер, Піар, Лардж-Піар, Ацтека, Інкас, Лоні, Класік, 6108, Мобіл, Ребекка, Сінтія, Аміко та Солеросо. Проведений порівняльний аналіз кореляційної залежності між швидкістю спливання та щільністю плодів томатів цих сортів показав, що між ними існує дуже тісний зв'язок (коефіцієнт кореляції склав 0,96).

Як показали проведені дослідження, на підставі отриманих результатів та розрахованих варіаційних кривих щільності і швидкості спливання плодів томатів різних сортів найбільш пристосованими для гідродинамічного сортування виявилися плоди сортів Класік і Солеросо.

Різниця значень середньої щільності плодів червоного і зеленого ступеня зрілості в цих сортах найбільша, а середні швидкості спливання знаходяться в межах які задовольняють технічним вимогам для проведення високоякісного процесу гідросортування плодів. Крім того, ці сорти томатів задовольняють і всім агровимогам міцності при механізованому (комбайновому) збиранні.

Вказані сорти і рекомендуються нами для використання в господарствах при вирощуванні плодів томатів. Тому подальші дослідження фізико-механіч-них і технологічних властивостей томатів, а також експериментальні дослідження проводились нами саме з плодами томатів сортів Солеросо та Класік.

Проведені дослідження визначили, що середні щільності плодів сорту Класік: зеленого ступеня зрілості - 842 кг/м3, молочного - 896 кг/м3, бурого - 945 кг/м3, рожевого - 971 кг/м3, червоного - 1069 кг/м3. А сорту Солеросо: зеленого ступеня - 841 кг/м3, молочного – 891 кг/м3, бурого - 949 кг/м3, рожевого - 969 кг/м3, червоного - 1086 кг/м3.

На підставі отриманих варіаційних кривих щільності для цих двох сортів визначено, що щільність плодів п=960 кг/м3 можна вважати границею додаткового поділу плодів за ступенем зрілості, тому що 50...80% червоних плодів, при ступені дозрівання 80% мають щільність вище 960 кг/м3. А 80...96% зелених, при цьому ж ступені дозрівання, мають щільність нижче цього показника.

Визначена середня швидкість спливання плодів без використання ДПП. Для фракції “червоні плоди”: сорт Класік - 7,90 см/с (з ДПП - 9,50 см/с); сорт Солероссо - 8,10 см/с (з ДПП - 10,20 см/с). Для фракції “зелені плоди”: сорт Класік - 12,50 см/с (з ДПП - 11,50 см/с); сорт Солероссо 13,50 см/с (з ДПП -12,20 см/с). На підставі отриманих варіаційних кривих швидкостей спливання плодів визначено, що найбільш ефективно проводити гідросортування плодів саме при середній швидкості спливання плодів з використанням ДПП.

У третьому розділі “Теоретичні дослідження процесу гідродинамічного сортування плодів томатів в гідролотку ТГС” розроблена теоретична модель процесу гідросортування плодів томатів в гідролотку ТГС з використанням дисперсного середовища, яке створюється за допомогою розробленого пристрою - ДПП.

Визначено, що для поліпшення загальної точності сортування ТГС необхідно насичувати потік води в гідролотку ТГС бульбашками повітря, для створення в потоці грубодисперсного шару (суміші повітря і води). Але для повного розуміння цього процесу гідросортування плодів потрібно розробити його теоретичну модель. Саме тому нами виконане наступне.

Були розглянуті сили, що діють на плід томату 1, який рухається в потоці води гідролотка ТГС (рис. 2, а). В результаті аналізу цих сил була отримана система рівнянь, яка описує траєкторію руху плоду томату в потоці ТГС

(1)

де п , ж – щільність плоду та рідини, кг/м3;

D – діаметр плоду, м;

С – коефіцієнт лобового опору плоду;

Vв – швидкість руху потоку рідини в лотку ТГС, м/с.

g – прискорення вільного падіння, м/с2;

, - швидкість і прискорення плоду при русі в потоці ТГС відносно до вісі Х;

,- швидкість та прискорення плоду при русі в потоці ТГС відносно до вісі Y;

На рис. 2 зображені сили: RCх, RCу – проекції сили гідродинамічного опору на вісі Х та Y, Н; FA – виштовхуюча Архімедова сила, яка діє на плід томату, Н; G – сила тяжіння, що діє на плід томату, Н;

Також було розглянуто процес руху плоду при взаємодії з штовхачем 2, який розташовано під кутом до горизонту (рис. 2, б).

Складено баланс сил, що діють на плід томату, який рухається в потоці гідролотка ТГС на вісі Х' и У', які повернуті відносно до вісей Х та У на кут

, (2)

де ах' – проекція прискорення плоду на вісь Х', м/с2;

N – сила нормального тиску на плід зі сторони штовхача, Н;

F – сила тертя, яка діє на плід зі сторони штовхача, Н;

m – маса плоду, кг;

, – проекції сил гідродинамічного опору на вісі та , Н.

В результаті була отримана система рівнянь, яка описує рух плоду в потоці рідини ТГС при взаємодії з прямолінійним штовхачем

(3)

Отже прискорення плоду в підсумку можна визначити як

, (4)

де f – коефіцієнт тертя плоду томату по сталі в воді.

У випадку, коли прутки штовхача мають криволінійну форму, у розрахун- ковій схемі буде присутнє нормальне прискорення, а значить і нормальна сила інерції. Однак з огляду на те, що швидкість потоку води незначна (не більше
0,3 м/с), а плід не може рухатися швидше потоку, то зазначеною силою можна зневажити. При цьому також можна використовувати рівняння (3).

Нами було проведене визначення координати точки контакту спливаючого плоду з прутками штовхача та початкової швидкості його руху по штовхачу.

Координата точки контакту спливаючого плоду з прутками штовхача 1(рис.3)

. (5)

При цьому швидкість руху плоду по поверхні штовхача дорівнюватиме

, (6)

де хк, ук – координати точки контакту у системі координат хОу, м;

h - висота води в гідролотку ТГС, м;

hз – висота завантаження плодів у лоток ТГС, м;

- кут нахилу прутків штовхача, град.

При аналізі спливання плоду в дисперсному середовищі її середню щільність можна визначити як

або , (7)

де mж, mг – відповідно маса рідини (води) і маса газу (повітря) в області гідролотка, що містить дисперсне середовище, кг;

Vж, Vг – відповідно обсяг рідини (води) і обсяг газу (повітря) в області гід-
ролотка, яка містить дисперсне середовище, м3.

г – щільність газу (повітря) в області гідролотка, що містить дисперсне
середовище, кг/м3;

Повітряномісткість (газомісткість) дисперсного середовища дорівнює

. (8)

Тоді = . Звідки .

Витрата повітря: або .

де lд – відстань від кінця штовхача до роздільника, м;

b – ширина гідролотка, м;

Vп – швидкість спливання бульбашки, м/с.

Нами встановлено, що траєкторію руху плоду томату в дисперсному середовищі можна описати системою рівнянь (1), тільки замість щільності рідини ж треба використовувати щільність дисперсного середовища ? дс.

Розроблена теоретична модель дозволила визначити деякі основні раціональні конструктивно-технологічні параметри й режими роботи ТГС із використанням ДПП, а саме:

· відстань від місця завантаження до штовхача l0 = 0,15 м;

· раціональний кут нахилу прямолінійного штовхача рац = 15о;

· мінімально можлива висота встановлення кінців прутків штовхача при ймовірності забивання 0,01% складає 97 мм (для сорту Солероссо);

· необхідне значення газомісткості дисперсного середовища =6,6...11,8%, що відповідає витраті повітря розпилювачів q = 0,12...2,23 л/с.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень визначення параметрів і режимів роботи ТГС” були проведені експериментальні дослідження процесу гідродинамічного сортування плодів томатів за ступенем зрілості на ТГС. Метою цих досліджень було одержання математичної моделі процесу гідросортування плодів на ТГС, яка дозволила б визначити конструктивно-технологічні параметри та режими роботи ТГС для поліпшення ефективності роботи лінії в цілому - одержання максимального коефіцієнта загальної точності її сортування. Також задачею цих досліджень була експериментальна перевірка адекватності отриманої моделі. Дослідження ефективності використання на ТГС ДПП проводилося вперше і тому має особливу цінність.

На підставі попередніх експериментальних досліджень процесу гідродинамічного сортування плодів на ТГС з використанням ДПП встановлено, що:

а) використовуючи ДПП (рис. 4), який створює бульбашковий шар в гідролотку ТГС, можна значно збільшити ефективність роботи гідродинамічного сортувальника і збільшити загальну точність сортування лінії;

б) найбільш доцільно для успішного проведення процесу гідросортування плодів використовувати насадки з діаметром отворів сопів менш 2 мм, тому що при використанні насадок з більшим діаметром сопів, виникаючі турбулентні потоки в потоці різко погіршують точність гідросортування плодів на ТГС;

в) для поліпшення якості сортування плодів на лінії і збільшення точності сортування плодів доцільніше використовувати аераційні насадки; при цьому досягається одержання однорідної грубодисперсної бульбашкової структури;

Примітка. Пористий елемент аераційних насадок (рис. 5, а) виготовлено зі спеченої бронзи (марка ПРБ) для отримання губчатого матеріалу, через який проходить повітря для створення однорідного дисперсного шару бульбашок. Цей пористий елемент дозволяє отримати бульбашки з середнім діаметром 0,25 мм. Односопові насадки та аераційні насадки, які використовувалися під час проведення дослідів зображено на рис. 5.

г) проведений нами аналіз кінематики руху дисперсного шару в потоці ТГС (рис. 6 та рис.7) визначив, що висота, ширина та довжина дисперсного шару в лотку ТГС повинна бути якомога більша для якісного сортування плодів.

д) визначено, що середня швидкість спливання плодів томатів у дисперсному шарі гідролотка ТГС, у порівнянні з їх спливанням у не насиченому повітрям потоці, сорту Класік (у дужках – сорту Солеросо) складає: –

зеленого ступеня зрілості – зменшується на 2,43 % (3,39 %);–

молочного – зменшується на 4,35 % (5,23 %);–

бурого – зменшується на 11,31 % (13,65 %);–

рожевого – зменшується на 14,52 % (16,11 %);–

червоного – зменшується на 19,17 % (21,32 %).

Для визначення параметрів та режимів роботи ТГС був проведений повнофакторний експеримент (ПФЕ).

Критерієм оптимізації при проведенні ПФЕ є загальна точність сортування плодів за ступенем зрілості, виражена через масу плодів

, (9)

де n – число фракцій плодів томатів, шт;

mi – маса плодів, яка потрапила в дану фракцію і яка відповідає усім її
вимогам, кг;

m – сумарна маса плодів усіх фракцій, кг.

Маючи всього дві вихідних фракції (“червоні” і “зелені” плоди) маємо

, (10)

де mкр, mзел – маса плодів фракції червоні плоди, що відповідає вимогам цій
фракції, і маса плодів фракції зелені плоди, що відповідає
вимогам цій фракції, відповідно, кг.

Попередньо на підставі проведеної дослідницької роботи були визначені 30 факторів, які впливають на процес гідросортування плодів на ТГС (рис.8).

На підставі апріорного дослідження, з урахуванням психологічного експерименту, було відібрано для подальших досліджень всього 8 факторів
(табл. 2). Розрахунок коефіцієнта конкордації (W=0,86) показав, що між думками фахівців є досить висока погодженість.

Проведені відсіваючі експерименти дозволили виділити з 30 факторів, які впливають на гідросортування томатів, всього 4 найбільш значимі фактори:

1. Відстань від кінця штовхача до роздільника (фактор Х7);

2. Висота встановлення роздільника відносно до штовхача (фактор Х11);

3. Тиск повітря на вході в дільник повітряного потоку (ДПП) з насадками (фактор Х28);

4. Діаметр отвору сопла насадки-розпилювача (фактор Х29).

Далі ми проводили опис поверхні відгуку, тобто відшукання рівняння поверхні. Згідно з матрицею планування експерименту, 4 основних обраних фактори встановлювалися в межах рівнів варіювання з постійним інтервалом.

Всі інші – менш вагомі 26 факторів фіксувалися на визначених заздалегідь оптимальних рівнях і при проведенні експериментів вже не змінювалися. У результаті проведених експериментів була отримана лінійна математична модель першого порядку.

Однак адекватність її не підтвердилася, тому для опису результатів експерименту отриману лінійну модель першого порядку прийняти не можна. Тому було використано планування другого порядку, яке дозволяє одержати представлення про функцію відгуку за допомогою полінома другого ступеня.

Таблиця 2 –

Фактори та рівні їх варіювання

Позначення

фактору |

Найменування фактора |

Рівні

факторів–

1 | + 1

Х4 () | Довжина штовхача, м | 0,5 | 0,9

Х7 ( ) | Відстань від кінця штовхача до роздільника, м | 0,30 | 0,70

Х11 (h) | Висота встановлення роздільника відносно до штовхача, м | 0 | 0,12

Х21 (C) | Співвідношення плодів за ступенем зрілості (C=Mзел/Мкр) | 0,70 | 2,37

Х22 (VВ) | Швидкість руху води в гідролотку ТГС, м/с | 0,25 | 0,60

Х27 (P) | Подача плодів у лоток, кг/с | 0,12 | 0,70

Х28 (Рг) | Тиск повітря на вході в дільник повітряного потоку (ДПП) з насадками, атм | 0,25 | 1,25

Х29 (d0) | Діаметр отвору сопла насадки-розпилювача, d0, мм | 0,25 | 1,75

Для опису ж поверхні відгуку рівнянням другого порядку нами був прийнятий для реалізації центральний композиційний рототабельний уніформ –план Боксу другого порядку. Даний план був обраний виходячи з того, що він забезпечує оптимальну кількість експериментів, при цьому досить точно описує рівняння поверхні і дозволяє добре оцінити коефіцієнти регресії. Він симетричний і йому відповідає симетрична функція дисперсії передбачених значень. Рототабельний план включав 24 досліди, у тому числі 16 точок ядра, складених як ПФЕ типу 24 і 8 зоряних точок.

Рівні варіювання та інтервал їх варіювання наведено у табл. 3. За матрицею планування експериментально визначені значення відгуків функції.

Таблиця 3 –

Рівні варіювання факторів

Рівні
факторів та їх
інтервал

варіювання (крок) | ФАКТОРИ

Відстань
від кінця
штовхача
до роздільника
(), м | Висота встановлення роздільника відносно до штовхача,

h, м | Тиск повітря
на вході в ДПП
з насадками
(Рг), атм | Діаметр отвору сопла насадки-розпилювача,

d0, мм

Х7 | Х11 | Х28 | Х29

+ 1 | 0,70 | 0,12 | 1,25 | 1,75

0 | 0,50 | 0,06 | 0,75 | 1,00

? 1 | 0,30 | 0 | 0,25 | 0,25

Крок | 0,20 | 0,06 | 0,50 | 0,75

r0 = 85,02 + 4,00Х7 – 1,19Х11 – 2,06Х28 – 2,04Х29 – 0,92Х7Х11 –
– 1,11Х7Х28 – 2,01Х7Х29 – 2,18Х11Х28 – 1,79Х11Х29 –
– 2,78Х28Х29 + 5,88Х27 – 1,28Х211 – 1,56Х228 – 2,05Х229 +

+ 0,18Х7Х11Х28 – 0,11Х7Х11Х29 + 0,18Х7Х28Х29 – 0,16Х11Х28Х29 .

У результаті обробки даних експериментальних досліджень знайдені коефіцієнти регресії і складене рівняння регресії другого порядку

Це ж рівняння в натуральному виді записується так

r0 = 84,95 – 98,05 + 155,64 h + 24,31 Pг + 19,48 d0 ––

86,77 h – 15,34 Рг – 14,52 d0 – 65,79 h Рг – 34,77 h d0 –

– 7,43 Рг d0 + 146,88 – 356,02 h2 – 6,25 Р2м – 3,64 d20 +

+ 29,72 h Pг – 12,36 h d0 + 2,44 Pг d0 – 6,94 h Pг d0 .

Розрахунки критерію Фішера показали, що модель адекватна на 95% рів-ні довірчої ймовірності.

Перевірка працездатності моделі за коефіцієнтом детермінації R показала, що розрахункове значення R2расч = 0,91, тобто отримана модель працездатна (при R2 0,75 – модель вважається працездатною).

Далі ми визначали координати оптимуму і вивчали властивості поверхні відгуку в околицях цього оптимуму. Вивчення поверхні відгуку проводили за допомогою двовимірних перетинів.

Для зазначеної математичної моделі були отримані 4 екстремальні точки, в яких показник точності сортування мав максимальне значення.

На підставі отриманих точок встановлено, що найбільша точність сорту-вання на ТГС забезпечується при встановленні обраних факторів на таких рівнях: Х7 (х1) = +1; Х11 (х2) = – 0,0055; Х28 (х3) = – 0,3323; Х29 (х4) = – 0,7604.

На основі отриманих значень координат цих точок побудовані підсумовуючі двовимірні перетини (рис. 9), які визначають оптимальний діапазон варіювання обраних факторів для встановлення їх на ТГС з метою збільшення показника загальної точності сортування ТГС та лінії в цілому.

Проаналізувавши отримані підсумовуючі двовимірні перетини, можна зробити висновок: раціональні режими роботи ТГС лінії з використанням ДПП будуть забезпечуватися, якщо значення 4 основних факторів, що найбільш впливають на процес гідросортування, будуть мати такі значення:

Сорт Солеросо (у дужках - сорт Класік):

1. Відстань від кінця штовхача до роздільника: 0,70 м (0,66 м);

2. Висота встановлення роздільника відносно до штовхача: 0,052 м (0,060 м);

3. Тиск повітря, на вході в ДПП з насадками: 0,54 атм. (0,62 атм.);

4. Діаметр отвору сопла насадки-розпилювача: 0,25 мм (0,25 мм).

У п'ятому розділі “Аналіз техніко-економічної ефективності використання сортувальної лінії із застосуванням ДПП” проведено визначення техніко-економічних показників сортувальної лінії із застосуванням ДПП. Дані показники порівнювалися з відповідними показниками базової сортувальної лінії без застосування ДПП (прототип).

У даному розділі наведені вихідні дані з дослідного впровадження лінії з ДПП та розглянуті умови проведення експериментальних досліджень. Аналізуючи отримані дані, можна зробити такі висновки:

а) у порівнянні з лінією без ДПП, лінія з ДПП має менші на 56,82% питомі витрати праці, менші на 20,59% поточні витрати та менші на 16,95% приведені витрати; однак головне те, що значно зменшилась кількість робітників-сортувальників з 14 (на прототипі) до 6 чоловік.

б) річний економічний ефект лінії сортування плодів томатів за ступенем зрілості з застосуванням ДПП складає 7000 грн. на одну лінію за сезон, а строк окупності даної лінії складає 0,1 року (табл. 4).

в) обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів ТГС з розробленим пристроєм – ДПП, дозволило значно збільшити коефіцієнт загальної точності сортування лінії (з 82% до 93%), що дозволило значно зменшити кількість обслуговуючого персоналу (робочих-сортувальників) лінії доробки плодів томатів.

Таблиця 4 –

Показники техніко-економічної ефективності використання лінії із застосуванням ДПП

Найменування показника | Лінія
без

ДПП | Лінія
з ДПП | Зміна показника в порівнянні з базовою лінією

1. Питомі працевитрати, люд.год/т | 0,88 | 0,38– | 56,82 %

2. Питома металоємність, кг/т | 0,73 | 0,74 | + 1,35 %

3. Єнергоемність процесу сортування, кВтч/т | 0,50 | 0,56 | + 10,71 %

4. Поточні витрати, грн/т | 6,33 | 5,02– | 20,59 %

5. Приведені витрати, грн/ т | 8,30 | 6,90– | 16,95 %

6. Питомі капіталовкладення, грн/т | 13,00 | 13,14 | + 1,05 %

7. Строк окупності додаткових капіталовкла-
день, років– | 0,1–

8. Річний економічний ефект, грн– | 7000–

ВИСНОВКИ

В дисертації приведене рішення наукової задачі покращення якісних характеристик та підвищення продуктивності праці лінії сортування плодів томатів, шляхом оптимізації конструктивно-технологічних параметрів і режимів її роботи. На підставі проведених досліджень зроблено такі висновки:

1. Аналіз існуючих способів сортування плодів за ступенем зрілості показав, що в порівнянні з іншими способами, сортування плодів за щільністю в потоці рідини забезпечує найбільшу продуктивність та мінімальне число обслуговуючого персоналу. Проведений аналіз існуючих технологій доробки плодів томатів дозволив виявити й вибрати найбільш раціональну технологію, яка забезпечує високу продуктивність й якість сортування плодів томатів.

Її особливістю є використання комбінації ознак розподілу: розподіл плодів за різницею щільності плода й води (первинне грубе сортування) та розподіл по швидкостях їх спливання (вторинне точне сортування). Спільне використання цих ознак дозволяє збільшити показник загальної точності сортування лінії з 75% (на прототипі) до 82%.

2. На підставі вивчення фізико-механічних властивостей двадцяти одного сорту плодів томатів, які одержали поширення на ринку України останнім часом, доведено, що сорти Пето-86, Лерика, Инкас, Консул, Солероссо й Класік мають властивості, що найбільш повно задовольняють агровимогам та є найбільш придатними для гідродинамічного сортування їх у потоці води.

3. Розроблено теоретичну модель процесу спливання плодів томатів у потоці рідини, в тому числі у насиченому повітрям дисперсному шарі гідролотка ТГС й обґрунтовано деякі основні раціональні конструктивно-технологічні параметри й режими роботи ТГС із використанням ДПП, а саме:

Ш відстань від місця завантаження до штовхача l0 = 0,15 м;

Ш раціональний кут нахилу прямолінійного штовхача рац = 15о;

Ш мінімально можлива висота встановлення кінців прутків штовхача при ймовірності забивання 0,01% складає 97 мм (для сорту Солероссо);

Ш необхідне значення газомісткості дисперсного середовища =6,6...11,8%, що відповідає витраті повітря розпилювачів q = 0,12...2,23 л/с.

4. Розроблена математична модель процесу гідродинамічного сортування плодів томатів з використанням ДПП, дозволила обґрунтувати конструктивно-технологічні параметри й режими роботи ТГС. Експериментальні дослідження процесу гідросортування плодів томатів на ТГС, із застосуванням ДПП, підтверджують вірогідність математичної моделі. Максимальна розбіжність експериментальних даних від розрахункових (теоретичних) не перевищує 1,8%.

Раціональні режими роботи ТГС із використанням ДПП будуть забезпечуватися, якщо значення основних факторів, що найбільш впливають на процес гідросортування плодів томатів на ТГС, для сорту Солероссо (в дужках – для сорту Класік) будуть наступними: відстань від кінця штовхача до роздільника 0,70 м (0,66 м); висота встановлення роздільника відносно до штовхача0,052 м (0,060 м); тиск повітря, на вході в ДПП з насадками 0,54 атм (0,62 атм); діаметр отвору сопла насадки-розпилювача 0,25 мм (0,25 мм).

5. Використання пристрою ДПП у гідролотку ТГС дозволило:

Ш збільшити точність сортування на ТГС плодів червоного ступеня зрілості, не залежно від сорту, з 91% (без ДПП) до 97%;

Ш збільшити точність сортування на ТГС плодів зеленого ступеню зрілості, не залежно від сорту, з 86% (без ДПП) до 98%;

Ш збільшити показник загальної точності сортування всієї лінії, в незалежності від сорту, з 82% (без ДПП) до 93%;

Ш скоротити число робітників-сортувальників зайнятих на ручній інспекції лінії з 14 (на прототипі) до 6 чоловік.

6. Встановлено якісні характеристики процесу гідросортування томатів. Для сорту Солероссо (в дужках – сорту Класік), точність сортування: по фракції “червоні плоди” на ТГС лінії склала 96,7 % (95,4 %); по фракції “зелені плоди” на ТГС лінії – 97,8 % (98,1 %); загальна по сортувальній лінії – 92,3% (92,6 %).

7. Проведений порівняльний аналіз економічної ефективності використання розробленої гідросортуваної лінії із ДПП показав, що в порівнянні із сортувальною лінією без ДПП питомі витрати праці знизилися на 56,82%, приведені