main.dvi
ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФІРМАН ЮРІЙ ПЕТРОВИЧ
УДК 631.356.4
ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТА РЕЖИМІВ
РОБОТИ СТРІЧКОВОГО СЕПАРАТОРА
КАРТОПЛЕЗБИРАЛЬНОЇ МАШИНИ
05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів-2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Подільському державному аграрно-технічному університеті Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: заслужений працівник освіти України, кандидат технічних наук, професор Самокиш Михайло Іванович, Подільський державний аграрно-технічний університет, завідувач кафедри сільськогоспо-дарських машин.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Національний аграрний університет, директор науково-дослідного інституту екобіотехнологій і біотехніки;
кандидат фізико-математичних наук, доцент Ніщенко Іван Олексійович, Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри механіки, переробки та зберігання сільськогосподарської продукції.
Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут механізації і електрифікації сільського господарства”, лабораторія механізації виробництва картоплі, смт. Глеваха Васильківського району Київської області.
Захист відбудеться 06.06. 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34М.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного аграрного університету за адресою: 80381, Львівська область, Жовківський район, м. Дубляни, вул. Володимира Великого, 1, головний корпус.
Автореферат розісланий 05.05. 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Ковалишин С.Й.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Картопля – важливий продукт харчування, цінна кормова культура і сировина для переробної промисловості. Незважаючи на те, що ґрунтово-кліматичні умови України є сприятливими для її вирощування, картоплярство занепадає. Причиною цього є низька врожайність, а також висока трудомісткість вирощування картоплі. І якщо останнім часом за рахунок впровадження нових сортів та покращення агротехніки врожайність картоплі в передових господарствах наблизилася до кращих світових показників, то затрати на її вирощування залишаються чи не найвищими в рослинництві.
Найбільш трудомістким процесом у всьому комплексі робіт з вирощування картоплі є збирання. На нього припадає біля половини загальних затрат коштів і праці. Низький рівень механізації цього процесу пояснюється складністю конструювання надійних картоплезбиральних машин. Водночас слід враховувати, що на процес збирання і, зокрема, на сепарацію ґрунту впливає цілий ряд факторів: правильність та своєчасність підготовки поля до збирання, механічні властивості та вологість ґрунту, засміченість поля камінням та бур’янами тощо. Недосконалість наявної картоплезбиральної техніки полягає в тому, що за відхилення вищевказаних факторів від допустимих значень, різко падають показники якості збирання. Тому виникла потреба у розробці такого сепаруючого пристрою, який би дав змогу змінювати ступінь впливу на картопляний ворох залежно від конкретних умов збирання картоплі, забезпечуючи при цьому високий ступінь сепарації ґрунту та низький ступінь пошкоджень бульб.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження були скеровані на вирішення науково-технічної проблеми із розробки та впровадження машин для збирання картоплі у рамках цільової комплексної програми “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів України 7 березня 1996 року, і складовою науково-дослідної роботи на 2005-2006 рр. (номер державної реєстрації 0105U008290).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості процесу сепарації картопляного вороху завдяки розробці стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини та обґрунтування його параметрів і режимів роботи на основі системного розкриття явищ перемішування вороху, руйнування грудок, просіювання прохідної фракції ґрунту та пошкодження бульб сепаратором.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Проаналізувати конструкції та способи здійснення робочих впливів на картопляний ворох наявними сепараторами та окреслити напрями підвищення ефективності їх роботи;
2. Розробити конструкцію стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини та ідентифікувати головні його параметри і режими роботи;
3. На основі розкриття явищ перемішування вороху, руйнування грудок, просіювання дрібної фракції ґрунту та пошкодження бульб, які здійснюються завдяки взаємодії стрічок сепаратора з картопляним ворохом, розробити математичну модель процесу його сепарації;
4. Обґрунтувати критерій оцінки та дослідити процес сепарації, а також оптимізувати головні параметри і режими роботи сепаратора;
5. Виготовити дослідний зразок стрічкового сепаратора та виконати експериментальні дослідження, визначити емпіричні коефіцієнти математичної моделі та перевірити її на адекватність;
6. Розробити методику інженерного проектування стрічкового сепаратора та виконати економічне оцінювання ефективності його використання.
Об’єкт дослідження – процес сепарації картопляного вороху, картопляний ворох, стрічковий сепаратор картоплезбиральної машини.
Предмет дослідження – взаємодія стрічкового сепаратора з картопляним ворохом, а також вплив його параметрів та режимів роботи на показники якості процесу сепарації.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження процесу взаємодії робочого органу з картопляним ворохом проводились із використанням положень теоретичної механіки. Дослідження процесу сепарації картопляного вороху проводились із використанням законів математичної фізики. Експериментальні дослідження виконувалися в польових умовах на розробленій експериментальній установці з використанням сучасних методів планування багатофакторного експерименту. Опрацювання результатів експериментальних досліджень здійснювалося на ПЕОМ за допомогою стандартних, а також спеціально розроблених прикладних програм.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:–
вперше*
розроблено математичну модель процесу сепарації трьохкомпонентного вороху;*
встановлено раціональні параметри та режими роботи стрічкового сепаратора, що забезпечують оптимальні параметри процесу сепарації;–
удосконалено методику оптимізації головних параметрів та режимів роботи стрічкового сепаратора на основі компромісного критерія;–
отримав подальший розвиток алгоритм визначення головних параметрів та режимів роботи сепаруючих робочих органів машин на основі системного підходу.
Новизна одержаних технічних рішень підтверджена трьома деклараційними патентами України на винахід (№34335А, №53887А, №11123).
Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено методику інженерного проектування стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини. Визначено раціональні параметри та режими роботи сепаратора для суглинку середнього, що уможливлює підвищення ступеня сепарації картопляного вороху та зниження ступеня пошкоджень бульб. Результати досліджень взяті до впровадження під час удосконалення існуючої та розробки нової картоплезбиральної техніки спеціалізованим конструкторським бюро ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” та конструкторським відділом ВАТ “Кам’янець-Подільськсільмаш”.
Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи отримані автором особисто. В працях, опублікованих у співавторстві, ним проведено аналіз конструкцій та способів здійснення робочих впливів чинних сепараторів картопляного вороху [3,8], обґрунтовано принцип дії та конструкцію стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини [1], досліджено геометричні характеристики картопляної грядки [2]; обґрунтовано структурну схему та алгоритм роботи електронного вимірювального комплексу [6]. У технічних рішеннях, які захищені патентами України [10,11,12], доля авторів однакова.
Апробація результатів досліджень. Результати досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на: щорічних конференціях професорсько-викладацького складу Подільського державного аграрно-технічного університету (м. Кам’янець-Подільський, 2001-2005 рр.); сьомій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2003 р.); ІV Міжнародній науково-технічній конференції “Механізація і енергетика сільського господарства” MOTROL’2003 (м. Київ, 2003 р.); ІV міжвузівській науково-практичній конференції Вінницького державного аграрного університету (м. Вінниця, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції УкрНДІПВТ імені Леоніда Погорілого (смт. Дослідницьке, 2004 р.); ХІІІ Міжнародній науково-технічній конференції ННЦ “ІМЕСГ” (смт. Глеваха, 2005 р.); розширеному засіданні кафедр сільськогосподарських машин та механізації сільськогоспо-дарського виробництва Подільського державного аграрно-технічного університету (м. Кам’янець-Подільський, 2005 р.); міжкафедральному семінарі факультету механізації сільського господарства Львівського державного аграрного університету (м. Львів, 2006).
Публікації. Результати наукових досліджень викладені в 12 друкованих працях, з них 8 – у фахових збірниках наукових праць, 3-деклараційних патентах України на винаходи та 1 – у матеріалах конференції.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків і пропозицій, списку використаних джерел із 136 найменувань та 22 додатків. Основна частина викладена на 149 сторінках тексту, містить 15 таблиць і 56 рисунків. Повний обсяг роботи становить 208 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об’єкт, предмет, методи досліджень та задачі, які розв’язуються в роботі, окреслено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі “Аналіз конструкцій сепараторів картопляного вороху і напрямки їх подальшого вдосконалення” проведено аналіз конструктивного виконання та основних характеристик різних сепаруючих пристроїв. Встановлено, що переважна більшість сепараторів використовує нераціональні способи впливу і не дозволяє регулювати інтенсивність впливу на картопляний ворох. На основі відомих теоретичних та експериментальних досліджень проаналізовано механіко-технологічні властивості картопляного вороху і закономірності процесу сепарації.
Дослідженням взаємодії робочих органів сільськогосподарських машин з ґрунтом займались П.М. Василенко, В.П. Горячкін, В.О. Дубровін, В.О. Желіговський, О.М. Зеленін, І.О. Ніщенко, А.М. Панченко та ін. Вагомий вклад в розробку нових сепаруючих робочих органів та дослідження процесу їх роботи внесли відомі вчені: Л.П. Безрукий, І.М. Бендера, В.М. Булга-ков, Р.Б. Гевко, А.П. Дорохов, З.В. Ловкіс, М.Е. Мацепуро, Г.Д. Петров, І.Р. Розмислович, М.І. Самокиш, Г.П. Солодухін та ін. Аналіз показав, що процес сепарації картопляного вороху, а також його взаємодія з сепаруючими робочими органами теоретично і експериментально досліджені недостатньо. Зокрема, в моделях сепарації не враховується активна дія сепаруючої поверхні, пошкоджуваність бульб, енергозатрати на сепарацію та ін.
Аналіз чинних сепаруючих пристроїв та способів їх впливу на пласт засвідчив, що в процесі роботи вони використовують нераціональні види деформації – удар та стискання, що призводить до значних пошкоджень бульб. У зв’язку з цим постало питання створення досконалішої конструкції сепаратора картоплезбиральної машини і дослідження процесу його роботи з метою зменшення пошкоджуваності бульб та підвищення ступеню сепарації картопляного вороху.
У другому розділі “Теоретичні передумови дослідження процесу сепарації картопляного вороху та обґрунтування параметрів і режимів роботи стрічкового сепаратора” подано обґрунтування конструкції стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини (рис. 1).
Рис. 1. Технологічна схема сепаратора: 1 – леміш підкопуючий; 2 – вісь ведених зірочок; 3 – зірочка ведена; 4 – стрічка ланцюгова; 5, 6 – вал ведучий; 7 – зірочка ведуча.
Активне руйнування структури пласта відбувається за рахунок того, що окремі сусідні стрічки сепаратора рухаються з різними швидкостями. Внаслідок цього в матеріалі пласта виникають деформації зсуву, що призводить до його руйнування. За рахунок різної швидкості стрічок відбувається також активне перемішування вороху, опускання його дрібних частинок на сепаруючу поверхню та їх просіювання, руйнування грудок в нижньому шарі вороху. Змінюючи різницю швидкостей руху окремих стрічок можна регулювати інтенсивність впливу сепаратора на картопляний ворох в значних межах.
У результаті аналізу процесу сепарації та конструкції стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини ідентифіковано їх головні параметри і режими роботи, з’ясовано взаємозв’язки між ними (таблиця 1).
Таблиця 1. Головні параметри і режими роботи стрічкового сепаратора
Назва параметра чи режиму | Познач. | Од. вимір.
Параметри процесу сепарації:
- тривалість процесу сепарації | Т | с
- початкова товщина шару вороху | Н | м
- коефіцієнт інтенсифікації сепарації | К
Параметри сепаратора:
- довжина сепаратора | Lел | м
- ширина сепаратора | Вел | м
- кут встановлення сепаратора
- кут встановлення скребків
- ширина стрічки сепаратора | bст | м
- ширина проміжку між стрічками | S | м
- кількість стрічок | nст
Режими роботи сепаратора:
- швидкість стрічок сепаратора | Vел | м/с
- відношення швидкостей стрічок сепаратора | К
- подача вороху на сепаратор | Q | кг/с
Процес сепарації картопляного вороху складається з елементарних операцій перемішування вороху, руйнування грудок ґрунту, просіювання прохідної фракції ґрунту та пошкодження бульб, які здійснюються завдяки взаємодії стрічок сепаратора з картопляним ворохом. Використовуючи основні положення математичної фізики, обґрунтовано модель цього процесу:
(1)
(2)
. (3)
де q(z, t), r(z, t), k(z, t) – відносна кількість відповідно грудок ґрунту прохідної фракції, непрохідної фракції та бульб картоплі на віддалі z від сепаруючої поверхні в момент часу t; b – коефіцієнт перемішування вороху, с-1; h – змінна товщина шару вороху, м; ks – коефіцієнт просіювання ґрунту; k1 і k2 – емпіричні коефіцієнти, які характеризують відповідно здатність грудок ґрунту до руйнування та ступінь зниження руйнуючого впливу сепаратора із віддаленням від робочої поверхні; T – час сепарації, с.
Припустивши, що в початковий момент часу t0 = 0 ворох однорідний, будемо мати наступні початкові умови:
q(z, t0) = q0; r(z, t0) = r0; k(z, t0) = k0,
де q0, r0, k0 – відповідно відносна кількість грудок ґрунту прохідної фракції, непрохідної фракції, а також бульб картоплі в початковий момент часу t0.
Товщина шару вороху h на сепараторі внаслідок просіювання ґрунту постійно зменшується:
, (4)
де H – товщина шару вороху в початковий момент часу t0, м.
Відповідно, ступінь сепарації ґрунту визначається за формулою:
. (5)
Оскільки розроблену модель процесу сепарації картопляного вороху аналітично розв’язати та проаналізувати неможливо, її було реалізовано за допомогою числових методів в математичному пакеті MATLAB6. Графічна інтерпретація моделі процесу сепарації картопляного вороху наведена на рис. 2.
Рис. 2. Кінетика процесу сепарації картопляного вороху
Внаслідок просіювання дрібних частинок вороху біля сепаруючої по-верхні змінюється відносна кількість не лише частинок ґрунту, а й картопляних бульб. Оскільки характер пошкоджуючих дій сепаратора на бульби подібний до руйнуючого впливу на грудки, інтенсивність пошкоджень бульб буде збільшуватись із наближенням до сепаруючої поверхні:
. (6)
де кз, U – емпіричні коефіцієнти, які характеризують відповідно здатність бульб картоплі до пошкоджень та ступінь зниження інтенсивності впливу сепаратора на бульби із віддаленням від робочої поверхні.
Ступінь пошкоджень бульб за весь час сепарації буде рівним:
. (7)
Для визначення коефіцієнта просіювання дрібних частинок було використано відому з теорії ймовірностей задачу Бюффона. Зважаючи на те, що дрібні частинки мають різні розміри, коефіцієнт просіювання виражається наступним рівнянням:
, (8)
де () – функція розподілу розміру частинок, які перебувають на поверхні сепаратора; S – ширина просвіту між стрічками, м; Sc – ширина стрічки сепаратора, м.
Для оцінювання роботи сепаруючого пристрою емпіричні коефіцієнти (коефіцієнт просіювання ґрунту ks, коефіцієнт перемішування вороху b, коефіцієнти руйнування грудок k1 і k2, а також коефіцієнти пошкодження бульб k3 і k4) визначали експериментально.
Розроблена модель сепарації картопляного вороху дала змогу одержати залежності інтенсивності сепарації ґрунту та пошкоджень бульб, які являють собою похідні по часу від кількості просіяного ґрунту і кількості пошкоджених бульб, відповідно, від основних факторів: інтенсивності впливу на ворох К, тривалості сепарації Т, а також початкової товщини шару вороху Н (рис. 3).
Рис. 3. Залежність інтенсивності сепарації ґрунту Іs та інтенсивності пошкодження
бульб Іпб від коефіцієнта інтенсифікації сепарації К, тривалості сепарації t,
а також початкової товщини шару вороху Н
Для оптимізації параметрів і режимів роботи стрічкового сепаратора розроблено методику, яка розкриває причинно-наслідкові зв’язки між параметрами і режимами роботи машини та параметрами і якісними характеристиками процесу сепарації, а також враховує протилежні тенденції зміни показників якості сепарації – ступеня сепарації ґрунту та ступеня пошкодження бульб. На цій основі обґрунтовано потребу використання компромісного критерію. Оптимізаційна функція має вигляд:
, (9)
де іс, ас, с – відповідно ідеальний, агротехнічно-допустимий та фактичний ступінь сепарації ґрунту, %; Піб, Паб, Пб – відповідно ідеальний, агротехнічно-допустимий та фактичний ступінь пошкоджень бульб, %.
На основі дослідження механічної взаємодії стрічок сепаратора з картопляним ворохом встановлено, що для забезпечення його роботоздатності ширина стрічок сепаратора повинна бути рівною bст = 0,08 м при куті нахилу сепаратора = 24о та куті встановлення скребків = 45о.
Результати наших досліджень, як і інших вчених, показали, що довжина сепаратора впливає на процес сепарації опосередковано – через час сепарації. Вибір оптимального значення часу сепарації є важливим для забезпечення якісних показників роботи сепаруючого пристрою. Так, за недостатньої тривалості сепарації ґрунт не встигає відсепаруватись повністю, при цьому бульби в валку картоплекопача присипаються невідсепарованим ґрунтом, що збільшує втрати бульб і підвищує трудомісткість їх підбирання. З іншого боку, надмірне збільшення тривалості сепарації призводить до підвищення рівня пошкоджень бульб (рис. 4).
Рис. 4. Залежність ступеня просіювання ґрунту зs та ступеня пошкоджень бульб Пб
від коефіцієнта інтенсифікації сепарації K та часу сепарації t
Екстремальному значенню критерію (9) відповідають наступні оптимальні значення параметрів процесу сепарації: тривалість сепарації T = 0,934 с, початкова товщина шару вороху H = 0,092 м, коефіцієнт інтенсифікації сепарації K = 1,72. На основі цих параметрів визначено раціональні значення параметрів та режимів роботи стрічкового сепаратора: довжина робочої поверхні L = 1,56 м, ширина сепаратора B = 0,55 м, швидкість руху стрічок Vел = 1,67 м/с, подача вороху на сепаратор Q = 96,7 кг/с.
Потужність на привод сепаратора визначали як суму потужностей на прискорення вороху під час поступання його на сепаратор, підіймання матеріалу внаслідок похилого положення робочої поверхні сепаратора, деформування та перемішування картопляного вороху, холостий хід сепаратора:
, (10)
де Nc – потужність на привод сепаратора, Вт; Q – секундна подача вороху на сепаратор, кг/с; Vел, Vсх – відповідно швидкість руху робочої поверхні сепаратора та швидкість сходу вороху з лемеша, м/с; L – довжина сепаратора, м; зх – ступінь сепарації ґрунту на віддалі x від початку сепарації; б – кут нахилу робочої поверхні сепаратора до горизонту; kр – питомий опір деформації картопляного вороху, Н/м2; Nхх – потужність холостого ходу сепаратора, Вт; зм -механічний коефіцієнт корисної дії приводу сепаратора.
У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” наведено програму експериментальних досліджень, подано опис експериментальної установки та розробленого електронного вимірювального комплексу методику визначення вимірюваних величин, проведено планування експерименту.
Програмою досліджень передбачалось: визначення емпіричних коефіцієнтів теоретичної моделі процесу сепарації картопляного вороху; експериментальне визначення впливу коефіцієнта інтенсифікації сепарації, швидкості руху стрічок сепаратора, подачі вороху на сепаратор, кута його нахилу до горизонту та кута встановлення скребків на якісні показники роботи стрічкового сепаратора; обґрунтування раціональних режимів роботи сепаратора; визначення потужності на привод сепаратора; встановлення роботоздатності досліджуваного сепаратора на ґрунтах різного механічного складу та в різних агрокліматичних умовах експлуатації.
Для обґрунтування емпіричних коефіцієнтів була проведена серія експериментів з визначення залежності інтенсивності просіювання ґрунту від часу сепарації на різних режимах роботи стрічкового сепаратора. Потім проводили комп’ютерне моделювання роботи сепаратора і визначали значення емпіричних коефіцієнтів, за яких сума квадратів відхилень теоретичної кількості просіяного ґрунту mt від експериментальної me була найменшою (рис. 5).
Рис. 5. Схема до визначення емпіричних коефіцієнтів
Теоретичне значення маси вороху, що просіялася під і-ю ділянкою сепаратора визначали за формулою:
, (11)
де хі – координати відповідних ділянок сепаратора, м.
Для скорочення часу комп’ютерного моделювання під час визначення емпіричних коефіцієнтів використано генетичний алгоритм Д. Голдберга.
Для проведення експериментальних досліджень було виготовлено дослідну установку із набором змінних деталей, а також електронний вимірювальний комплекс (рис. 6).
Рис. 6. Експериментальна лабораторно-польова установка:
1 – рама; 2 – коток копіювальний грудкоподрібнювальний; 3 – леміш підкопуючий; 4 – диски підрізні; 5 – стрічковий сепаратор; 6 – колесо опорне; 7 – гідромотор приводу сепаратора.
З метою зниження трудомісткості експериментальні дослідження були розділені на два етапи: пошукові і основні. Пошукові досліди проводились за схемою:
- перевірка роботоздатності розробленої конструкції стрічкового сепаратора та надійності експериментальної установки;
- визначення допустимих режимів роботи стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини;
- визначення впливу головних факторів на виконання технологічного процесу сепарації ґрунту та виділення найбільш значимих.
На другому етапі досліджень за повним факторним експериментом (ПФЕ) 2n було проведено досліди по вивченню впливу цих факторів на ступінь сепарації ґрунту, ступінь пошкоджень бульб та потужність на привод сепаратора.
У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” наведено результати експерименту з визначення емпіричних коефіцієнтів математичної моделі, попереднього та повного факторного експерименту, а також перевірки на адекватність математичної моделі сепарації картопляного вороху.
Експериментальними дослідженнями з визначення емпіричних коефі-цієнтів математичної моделі процесу сепарації підтверджено гіпотезу, що вони залежать лише від властивостей картопляного вороху та від інтенсивності впливу сепаратора на нього. В результаті опрацювання експериментальних даних визначено аналітичні залежності цих коефіцієнтів, що харктеризують елементарні операції перемішування вороху b, руйнування грудок ґрунту k1 і k2, просіювання дрібної фракції ґрунту ks та пошкодження бульб k3 і k4.
Експериментально встановлено, що факторами, які найбільше впливають на якісні показники роботи сепаратора є: швидкість руху стрічок Vел, відношення швидкостей руху стрічок K та подача вороху на сепаратор Q.
Після попередніх експериментів було проведено повний факторний експеримент (рис. 7), в результаті опрацювання даних якого були отримані рівняння регресії:
для ступеня сепарації ґрунту:
зs = 77,2624 – 4,0056V + 10,9033K + 0,3240Q + 0,0509KQ – 2,5827K2 – 0,00312Q2; (12)
для ступеня пошкоджень бульб:
Пб = 26,8073 – 16,1221V + + 0,7129K-0,1457Q-0,0512KQ + 3,5048V2 + 1,6233K2 + 0,001Q2; (13)
для потужності на привод сепаратора:
Nc = -7,9718 + 1,9763V + 4,5844K + 0,03987Q - 0,941 1VK + 0,01761KQ - 0,6638K2, (14)
де V – середня швидкість стрічок сепаратора, м/с; K – відношення швидкостей окремих стрічок сепаратора; Q – подача вороху на сепаратор, кг/с.
Рис. 7. Проведення експериментальних досліджень
Одержані рівняння досліджувалось за допомогою програмного пакета MATLAB 6. Поверхні відгуку наведені на рис. 8, 9, 10.
Співставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень показало, що розроблена математична модель процесу сепарації картопляного вороху є адекватною.
Рис. 8. Поверхня відгуку для ступеню сепарації ґрунту зs
Рис. 9. Поверхня відгуку для ступеню пошкоджень бульб Пб
Рис. 10. Поверхня відгуку для потужності на привід сепаратора Nс
У п’ятому розділі “Методика інженерного проектування стрічкового сепаратора, економічна ефективність та впровадження результатів наукових досліджень” наведено алгоритм та теоретичні передумови розрахунку картоплезбиральної машини зі стрічковим сепаратором, а також виконано оцінювання економічної і енергетичної ефективності запропонованої конструкції.
У результаті економічного оцінювання ефективності використання стрічкового сепаратора встановлено, що за нормативного річного завантаження економічний ефект складає 447,18 грн./га, або 15,53 тис. грн. на рік. Річна економія енергетичних витрат порівняно із однорядним картоплекопачем КТ-0,6 становить 69,39 ГДж на одну машину.
Результати теоретичних і експериментальних досліджень, конструктивних розробок взяті до впровадження спеціальним конструкторським бюро ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” та конструкторським відділом ВАТ “Кам’янець-Подільськсільмаш”, де будуть використані під час вдосконалення існуючих та розробки нових картоплезбиральних машин.
ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ
1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у підвищенні якості збирання картоплі в різних ґрунтових умовах на основі розробки та використання стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини.
Аналіз конструкцій картоплезбиральних машин та їх робочих органів, а також способів впливу різних сепараторів на картопляний ворох показав, що вони використовують неефективні види деформацій, а саме: удар і стискання. Натомість дослідження дозволяють стверджувати, що значно ефективнішими є деформації розтягу і зсуву, які в чинних конструкціях сепараторів не реалізовуються, або реалізовуються лише частково.
Іншим недоліком чинних сепаруючих пристроїв є те, що вони призначені для роботи в певних конкретних ґрунтових умовах, за відхилення від яких значно знижується ефективність їх роботи. На основі проведених комплексних досліджень запропоновано новий спосіб впливу на картопляний ворох, а також розроблено конструкцію стрічкового сепаратора, який забезпечує реалізацію цього способу і дає змогу ефективно відсепаровувати ґрунт в різних ґрунтових умовах.
Для розробленої конструкції сепаратора характерними є сім головних параметрів і три режими роботи, між якими існують системні взаємозв’язки.
2. Розкриття явища сепарації трьохкомпонентного картопляного вороху дало змогу обґрунтувати математичну модель відповідного процесу сепарації (2)-(7), яка враховує випадковий характер елементарних операцій перемішування вороху, руйнування грудок, просіювання дрібної фракції ґрунту, а також пошкодження бульб і уможливлює його аналітичне дослідження.
3. Експериментальне визначення емпіричних коефіцієнтів, що характеризують елементарні операції перемішування вороху, руйнування грудок ґрунту, просіювання дрібної фракції ґрунту та пошкодження бульб, уможливило аналітичне обґрунтування параметрів і режимів роботи стрічкового сепаратора, співставлення результатів теоретичних досліджень та експерименту, а також перевірку адекватності математичної моделі.
4. Аналіз показників роботи стрічкового сепаратора дав змогу обґрунтувати алгоритм оптимізації його параметрів і режимів роботи. Розроблений компромісний критерій оптимізації (9) враховує протилежні тенденції зміни: ступеня сепарації ґрунту та ступеня пошкоджень бульб від тривалості процесу і уможливлює обґрунтування його параметрів.
5. Дослідження механічної взаємодії стрічки сепаратора з картопляним ворохом дало змогу обґрунтувати раціональні значення таких параметрів стрічкового сепаратора: ширина стрічки – 80 мм, інтервал розташування стрічок – 105 мм, кут встановлення сепаратора – 24о, кут встановлення скребків – 45о.
6. На основі компромісного критерію (9) встановлено оптимальні параметри процесу сепарації: час сепарації T 0,934 с, коефіцієнт інтенсифікації сепарації K 1,72, початкова товщина шару вороху на сепараторі H 0,092 м. Використання розробленого алгоритму визначення раціональних параметрів та режимів роботи сепаратора на основі отриманих оптимальних значень параметрів процесу сепарації дало змогу обґрунтувати раціональне значення довжини сепаруючої поверхні L = 1,56 м, ширини сепаратора Bел = 0,55 м, швидкості руху стрічок Vел = 1,67 м/с та подачі вороху на сепаратор Q = 96,7 кг/с.
7. Для обґрунтування приводу сепаратора досліджено залежність потужності на привод сепаратора від його конструктивних параметрів та режимів роботи. Встановлено, що в області раціональних режимів роботи сепаратора потужність на його привод становить 4,5...5,5 кВт.
8. Експериментально встановлено, що факторами, які найбільше впливають на показники якості роботи сепаратора є: швидкість руху стрічок Vел, відношення швидкостей руху стрічок K та подача вороху на сепаратор Q. Виконання повного факторного експерименту дало змогу встановити, аналітичні залежності показників якості роботи сепаратора (12, 13) та потужності на його привод (14) від цих факторів для суглинку середнього. Співставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень показало, що розроблена математична модель процесу сепарації картопляного вороху є адекватною.
9. Розроблена методика інженерного проектування враховує характеристики картопляної грядки і дає змогу визначати параметри підкопуючої частини, а також раціональні параметри і режими роботи стрічкового сепаратора для різних ґрунтових умов.
10. Проведене економічне оцінювання ефективності використання стрічкового сепаратора, яке враховує збільшення виходу товарної продукції внаслідок зниження ступеня пошкоджень бульб, встановило, що економічний ефект складає 447,18 грн./га, або 15,53 тис. грн. на рік.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Бендера І.М., Роздорожнюк П.І., Бончик В.С., Фірман Ю.П. Обґрунтування технологічних та конструктивних параметрів картоплезбиральної машини з активним сепарувальним пристроєм // Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. – 2000. – №4. – С. 152-158. (Автором обґрунтовано принцип дії та конструкцію стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини)
2. Бончик В.С., Самокиш М.І, Бендера І.М, Фірман Ю.П. Результати експериментальних досліджень геометричних параметрів картопляної грядки при роботі картоплезбиральних машин // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Том VІІІ. – К.: НАУ, 2000. – С. 370-374. (Автором виконано експериментальні дослідження геометричних параметрів картопляної грядки)
3. Самокиш М.І., Бендера І.М, Фірман П.І, Фірман Ю.П. Активізація сепарації ґрунту в картоплезбиральних машинах // Збірник наукових праць ПДАТА.-Кам’янець-Подільський, 2002. – С. 227-230. (Автором виконано аналіз чинних конструкцій сепараторів та способів активі-зації сепарації)
4. Фірман Ю.П. Дослідження елеватора з активною сепаруючою поверхнею // Збірник наукових праць Національного аграрного університету “Механізація сільськогосподарського виробництва”. – К.: НАУ, 2003. – Том ХV. – С. 327-333.
5. Фірман Ю.П. Імітаційне моделювання процесу сепарації картопляного вороху // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Випуск 22. – Мелітополь, 2004. – С. 164-174.
6. Панцир Ю.І, Гарасимчук І.Д, Фірман Ю.П. Електронний вимірювальний комплекс для проведення лабораторно-польових досліджень // Збірник наукових праць ПДАТУ. – Кам’янець-Подільський, 2004. – С. 356-360. (Автором обґрунтовано структурну схему та алгоритм роботи електронного вимірювального комплексу)
7. Фірман Ю.П. Експериментальні дослідження активного сепаратора картопляного вороху // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць УкрНДІПВТ імені Л. Погорілого. – Дослідницьке, 2004. – Випуск 7 (21). – С. 269-274.
8. Новацький В.М, Фірман Ю.П, Гуцол Т.Д. Аналіз та обґрунтування перспективних конструкцій сепараторів картоплезбиральних машин // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П.М. Василенка. Випуск 39. – Харків, 2005. – С. 281-289. (Автором проаналізовано способи здійснення робочих впливів на картопляний ворох чинними сепараторами)
9. Фірман Ю.П. Моделювання процесу сепарації картопляного вороху // Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи: Збірник матеріалів четвертої міжвузівської науково-практичної конференції аспірантів 5-7 квітня 2004 р. – Вінниця, 2004. – С. 58-59.
10. Пат. 34335А Україна, МКВ А01D17/00, А01D21/00 Пристрій для активної сепарації бульбоносної маси / Самокиш М.І., Роздорожнюк П.І., Бендера І.М., Фірман Ю.П., Ганушке-вич Р.В. (Україна). – №99063613; Заявлено 25.06.1999; Опубл. 15.02.2001 Бюл. №1. – 2 с (Автором запропоновано робочу поверхню сепаратора з окремих поздовжніх стрічок, що рухаються з різними швидкостями)
11. Пат. 53887А Україна, МКВ А01D17/00 Пристрій сепаруючий активний картоплезби-ральної машини / Самокиш М.І., Роздорожнюк П.І., БендераІ.М., Фірман Ю.П., Онищук Ю.В. (Україна). – №2002010423; Заявлено 16.01.2002; Опубл. 17.02.2003. Бюл. №2. – 2 c. (Автором запропоновано обладнати стрічки сепаратора скребками)
12. Пат. 11123 Україна, МКВ А01D17/00 Сепаруючий пристрій картоплезбиральної машини / Фірман Ю.П., Самокиш М.І., Бендера І.М., Роздорожнюк П.І., Нігалатій В.М. (Україна) – №u2005 ; Заявлено 23.05.2005; Опубл. 15.10.2005. Бюл. №12. – 2 с (Автором запропоновано спосіб регулювання інтенсивності впливу на картопляний ворох)
АНОТАЦІЯ
Фірман Ю.П. Обґрунтування параметрів та режимів роботи стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Львівський державний аграрний університет, Львів, 2006.
Дисертаційна робота присвячена питанню підвищення показників якості роботи картоплезбиральних машин завдяки розробці стрічкового сепаратора картоплезбиральної машини та обґрунтування його раціональних параметрів та режимів роботи. Запропоновано новий спосіб впливу на картопляний ворох, а також конструкцію стрічкового сепаратора що забезпечує реалізацію цього способу. Розроблено математичну модель процесу сепарації трьохкомпонентного картопляного вороху. Експериментально визначено емпіричні коефіцієнти математичної моделі для суглинку середнього. Обґрунтовано критерій та алгоритм оптимізації параметрів і режимів роботи сепаратора. Визначено раціональні параметри процесу сепарації, на основі яких визначено раціональні параметри та режими роботи стрічкового сепаратора. На основі проведених експериментальних досліджень встановлено аналітичні залежності показників якості роботи сепаратора та потужності на його привод від режимів роботи, а також перевірено математичну модель на адекватність. Розроблено методику інженерного проектування картоплезбиральної машини зі стрічковим сепаратором. Проведено економічне оцінювання ефективності використання стрічкового сепаратора.
Ключові слова: стрічковий сепаратор, картопляний ворох, процес сепарації, критерій оптимізації, потужність приводу.
АННОТАЦИЯ
Фирман Ю.П. Обоснование параметров и режимов работы ленточного сепаратора картофелеуборочной машины. Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11-машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Львовский государственный аграрный университет, Львов, 2006.
Диссертационная работа посвящена вопросам повышения качественных показателей работы картофелеуборочных машин за счет исследования процесса сепарации, разработки ленточного сепаратора, а также обоснования его рациональных параметров и режимов работы.
В работе выполнен анализ существующих конструктивно-технологических схем картофелеуборочных машин, способов активизации сепарации и воздействий рабочих органов на картофельный ворох, который показал, что несовершенство существующей картофелеуборочной техники состоит, прежде всего, в низкой надежности выполнения технологического процесса при отклонении условий уборки от своего допустимого значения. Поэтому важным заданием есть разработка такого сепарирующего устройства, который бы позволял изменять степень своего воздействия на картофельный ворох, тем самым приспосабливаясь к конкретным условиям уборки.
На основании проведенных комплексных исследований предложен новый способ воздействия на картофельный ворох, а также ленточный сепаратор, который позволяет реализовать этот способ.
Теоретически исследовано явление сепарации и разработана математическая модель процесса сепарации трехкомпонентного картофельного вороха, которая учитывает протекающие процессы перемешивания массы, разрушения комков почвы, просеивание проходной фракции почвы, а также повреждения клубней сепаратором. Экспериментальным путем определены эмпирические коэффициенты математической модели.
Обоснованы критерии и алгоритм оптимизации параметров и режимов работы сепаратора. С помощью компромиссного критерия определены оптимальные параметры процесса сепарации, на основании которых обоснованы рациональные параметры и режимы работы ленточного сепаратора. Исследован процесс механического взаимодействия лент сепаратора с картофельным ворохом, а также зависимость мощности на привод сепаратора от его параметров и режимов работы.
Разработана методика исследований, изготовлен испытательный образец ленточного сепаратора и проведен ряд экспериментальных исследований, направленных на определение наиболее значимых факторов, а также изучение их влияния на показатели качества работы сепаратора и мощность на его привод. Полученные данные позволили построить номограмму для выбора рациональных режимов работы сепаратора, а также проверить адекватность теоретической модели.
Разработана методика инженерного проектирования ленточного сепаратора, которая позволяет учитывать почвенные условия во время уборки и характеристику картофельной грядки при обосновании рациональных параметров и режимов работы сепаратора.
Выполненные расчеты показывают, что использование разработанного ленточного сепаратора в картофелеуборочных машинах позволит повысить производительность их работы, а также уменьшит степень повреждения ими картофеля. Ожидаемый экономический эффект от использования сепаратора на картофелекопателе составляет около 447 грн. на один гектар убранной площади.
Ключевые слова: ленточный сепаратор, картофельный ворох, процесс сепарации, критерий оптимизации, мощность привода.
ANNOTATІON
Firman Y.P. Substantiation of parameters and modes of operations of band-separator of potato-harvesting machine. Manuscript.
The thesis for scientific degree of Candidate of Technical Sciences of specialty of 05.05.11 – machines and mechanized devices of agricultural production. – Lviv State Agrarian University, Lviv, 2006.
Dissertation work is devoted to the question of increasing of indexes of quality of work of potato-harvesting machines due to the development of band-separator and grounding of its rational parameters and modes of operations. The new method of influence on potato lots is offered, and also the construction of band-separator which realizes this method is provided. The mathematical model of processing of separation of three-component potato lots is developed. Empiric coefficients of mathematical model for a middle loam soil are experimentally defined. The criterion and algorithm of optimization of parameters and modes of operations of separator is grounded. The rational parameters of separation process are determined, on the basis of which the rational parameters and modes of operations of band separator are defined. On the basis of the conducted experimental researches are determined the analytical dependences of indexes of quality of separator’s work and the drive power depending on modes of operations, and also the mathematical model is tested on adequacy. The method of engineering design of potato-harvesting machine with a band-separator is developed. The economic evaluation of efficiency of the use of band separator is conducted.
Key words: band-separator, potato lots, separation process, criterion of optimization, drive power.
Підписано до друку 20.04.2006 р.
Формат 60Ч84/16. Папір офсетний №1.
Тираж 100 прим. Ум. др. арк. 1,0. Замовлення №З-108.
Видавничо-поліграфічна фірма “АБЕТКА”
вул. Князів Коріатовичів, 9, м. Кам’янець-Подільський
Хмельницької області, 32300. Тел. (03849) 2-73-84.
Свідоцтво ДК №495 від 19.06.2001 р.
