ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Луганський національний аграрний університет
Коваленко олександр Володимирович
УДК 631.362.003.13(043)
підвищення ефективності технологічного процесу
та обґрунтування параметрів робочих органів
машини для вторинної сепарації картоплі
05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського
виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Луганськ – 2007
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті, Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Кириченко Володимир Єгорович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри експлуатації машинно-тракторного парку.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
ШАЦЬКИЙ Віктор Васильович, заступник директора з наукової роботи Інституту механізації тваринництва УААН.
кандидат технічних наук, доцент
СКОТАРЕНКО Віктор Васильович, Луганський національний аграрний університет, доцент кафедри архітектури будівель і споруд.
Захист відбудеться “06” грудня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 у Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 1М-214.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Луганського національного аграрного університету за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет.
Автореферат розіслано “05” листопада 2007 р.
Виконуючий обов’язки вченого
секретаря спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент В.Я. Коваль
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Виробництво картоплі серед рослинних продуктів харчування посідає четверте місце у світі, поступаючись пшениці, рису та кукурудзі. Картоплю вирощують більше, ніж у 125 країнах, на площі близько 18 млн. га, при середній урожайності 148 ц/га.
Світове споживання картоплі на душу населення за останні роки не зменшується і в середньому складає в Західній Європі - 78 кг, в США – 55 кг, у Латинській Америці – 20-25 кг, в Африці – 6 кг і в Україні -140 кг.
У наший країні картоплю вирощують на підприємствах різних форм власності на площі близько 1,6 млн. га або 9% від площі світових насаджень картоплі.
На сучасному етапі картоплярство України - одна із трудомістких і енергоємних галузей рослинництва. Невід’ємною частиною отримання якісної картоплі є технологічний процес післязбиральної доробки картопляного вороху – вторинна сепарація, яка полягає у відділенні якісних бульб від залишків земляних грудок, некондиційних та гнилих бульб, а також каміння.
Існуючі засоби механізації вказаного технологічного процесу в Україні не мають робочих органів, які б ефективно виконували процес вторинної сепарації. На сьогодні вторинна сепарація виконується вручну на перебиральних столах.
Тому розробка нових способів та технічних засобів очистки й сепарації картоплі з якісним виконанням технологічного процесу та мінімальними затратами ручної праці є досить актуальним науковим завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційну роботу виконано за темою наукових досліджень кафедри механізації виробничих процесів у тваринництві Луганського національного аграрного університету „Удосконалення процесів пневмомеханічного очищення коренебульбоплодів від домішок” і “Комплексна механізація виробничих процесів в АПК” (державний реєстраційний номер 0104U005400) та кафедри експлуатації машинно-тракторного парку за темою: „Оптимізація оціночних критеріїв експлуатаційно-технологічних параметрів МТА з метою підвищення ефективності їх використання при вирощуванні сільськогосподарських культур” (державний реєстраційний номер 0100U004286).
Дослідження за даною темою проводилися в рамках “Цільової комплексної програми розробки і виробництва машин та обладнання для вирощування, збирання, післязбиральної доробки і зберігання картоплі” при співробітництві з проектно-конструкторським бюро “Прогрес”, (м. Миколаїв).
Мета роботи і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технологічного процесу сепарації картопляного вороху шляхом розробки конструкції та визначення раціональних параметрів сепаратора картоплі з блокованим псевдозрідженим шаром.
Для досягнення мети в роботі поставлено такі задачі:
- на основі системного аналізу дати класифікацію існуючих технологій, технологічних процесів, способів і технічних засобів вторинної сепарації картопляного вороху, а також обґрунтувати необхідність їх ефективного використання;
- розробити і аналітично дослідити модель технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху та розробити методи його дослідження;
- виявити закономірності впливу основних механіко-технологічних властивостей компонентів картопляного вороху на ефективне та якісне їх розділення при вторинній сепарації;
- встановити закономірності теоретичних досліджень що дозволяють визначити раціональні параметри технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху;
- експериментально перевірити технологічний процес вторинної сепарації картопляного вороху та оптимізувати технологічні, конструктивні та енергетичні параметри сепаратора для вторинної сепарації картопляного вороху;
- розробити новий високоефективний сепаратор картопляного вороху та виконати його польову апробацію;
- виконати економічне обґрунтування доцільності впровадження розробленого сепаратора;
- розробити рекомендації виробництву щодо ефективного використання запропонованої конструкції сепаратора.
Об'єкт дослідження – технологічний процес вторинної сепарації картопляного вороху та технічні засоби для його здійснення.
Предмет дослідження – визнячення закономірностей протікання техноло-гічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху.
Методи досліджень. Теоретичні та експериментальні дослідження сепаратора картопляного вороху проведено з використанням основних положень вищої математики, теоретичної та аналітичної механіки, а також з використанням методів системного аналізу, методів планування багатофакторного експерименту та статистичної обробки результатів досліджень із використанням ПЕОМ. Дослідження виконано відповідно до галузевих стандартів у лабораторних умовах за існуючими та розробленими автором методиками на розроблених їм експериментальних установках.
Наукова новизна отриманих результатів:
- вперше представлено розширену класифікацію технологій, способів і техніч-них засобів для вторинної сепарації картопляного вороху;
- приведено математичну модель технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху, в якій уперше описано взаємодію компонентів картопляного вороху з повітре-пружним середовищем сепаратора;
- отримано математичні залежності, які уперше дозволяють визначити раціональні параметри сепаруючих органів та проведено їх оптимізацію, визначені фактори які впливають на ефективність технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху;
- вперше обґрунтовано та визначено експериментальні залежності конструктивних та технологічних параметрів сепаратора; які найбільш суттєво впливають на якісні показники процесу сепарації від механічних і рослинних домішок;
- вперше теоретично та експериментально обґрунтовано вплив розмірів картоплі на якісні показники процесу сепарації;
- економічно обґрунтовано доцільність застосування сепаратора картопляного вороху з блокованим псевдозрідженим шаром в лініях післязбиральної доробки картоплі.
Новизну розробленої і дослідженої установки підтверджено патентами України
на винахід.
Наукове значення роботи зводиться до подальшого розвитку теорії сепарації картопляного вороху як складної суміші з великою розкиданістю щільності її складових, а також взаємодії картопляного вороху з робочими органами блокованого псевдозрідженого шару.
Практичне значення одержаних результатів полягає в обґрунтуванні, розробці і створенні конструкції сепаратора, що дозволяє підвищити ефективність технологічного процесу вторинної сепарації вороху та зменшити витрати праці на його виконання, а також у розробці рекомендацій виробництву щодо використання запропонованої автором конструкції й методики її інженерного розрахунку.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням методів землеробської механіки, основних законів функціонування робочих органів сепаратору в неоднорідному середовищі, адекватністю розроблених математичних моделей щодо реальних процесів сепарації, позитивними результатами дослідної перевірки запропонованої конструкції та її виробничим впровадженням.
Особистий внесок здобувача. За темою дисертації здобувачем особисто проведено теоретичні й експериментальні дослідження та отримано такі результати: проведено аналіз існуючих технологій, способів і технічних засобів для вторинної сепарації картопляного вороху; розроблено класифікацію технологій, способів і технічних засобів і визначено напрямки підвищення їх ефективності; теоретично й експериментально досліджено технологічний процес сепарації з метою математичного опису явищ, що відбуваються в процесі сепарації картопляного вороху й визначень конструктивних, технологічних і енергетичних параметрів сепаратора картопляного вороху; теоретично і експериментально визначено механіко-технологічні властивості основних компонентів картопляного вороху; експериментально підтверджено теоретичні передумови по дослідженню робочого процесу сепарації картопляного вороху й визначено раціональні та енергетичні параметри сепаратора; розроблено рекомендації виробництву щодо ефективного використання сепаратора картопляного вороху та методику його інженерного розрахунку; проведено техніко-економічну оцінку його використання.
Апробація результатів досліджень. Основні положення й результати наукових досліджень з теми дисертаційної роботи доповідались і отримали позитивну оцінку: на науково-практичних конференціях викладачів і співробітників Луганського національного аграрного університету (1997-2007р.р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “Аграрний форум - 2006” напрямок “Техніка і технології XXI сторіччя” (м. Суми, 2006 р.); VII Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки”, присвяченої 106-й річниці з дня народження академіка П.М. Василенка (м. Мелітополь, 2006 р.); XIV Міжнародній науково-технічній конференції ННЦ “ІМЕСГ” “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми механізації виробничих процесів в АПК” (м. Луганськ, 2006 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2006 р.); розширеному засіданні наукового семінару кафедри експлуатації машинно-тракторного парку ЛНАУ (м. Луганськ, 2007 р.).
Публікації. Результати наукових досліджень за темою дисертаційної роботи, викладено в 10 друкованих працях, з них: 8 статей у спеціальних виданнях, затверджених “Переліком ВАК України” з технічних наук, 4 з яких - одноосібно; 2 деклараційні патенти України на винахід (у яких частка здобувача складає від 25% та 80%).
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з
вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 161 найменування (з них 5 на іноземній мові) і додатків (41 сторінка). Загальний обсяг ди-
сертації – 222 сторінки. Робота містить 29 таблиць і 62 ілюстрації.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, надано її загальну характеристику та сформульовано положення, що виносяться на захист.
У першому розділі „Стан механізації технологічного процесу і засобів механізації сепарації картопляного вороху при його післязбиральній доробці” показано значимість післязбиральної доробки картоплі, також виконано аналіз існуючих технологій та способів післязбиральної доробки картоплі, технічних засобів, пристроїв та їх робочих органів для вторинної сепарації картоплі, запропоновано технологічну схему післязбиральної доробки картоплі та класифікацію способів та технічних засобів для виконання вказаного технологічного процесу.
Великий внесок у питання теорії і практики з доробки картопляного вороху зробили такі вчені: В.П. Горячкін, М.М. Колчин, В.Л. Погорілий, Є.С. Босий, Г.Д. Петров, Б.П. Шабельник, М.М. Хелемендик, М.Ф. Бородін, В.В. Щацький, В.М. Булгаков, І.В. Автухов, І.С. Сорокін, В.П. Васенічев, Ю.І. Зіновєв, А.М. Панченко, Е. Ше-фер, К. Баганш, Х. Хакельман, Ф. Ререа, В. Краузе (Германія), Д. Палмер (Англія), А. Сторн (США), Б.І. Максимова, А.Г. Пузанкова, В.Є. Зубков та інші.
Дослідженнями процесу відділення земляних грудок та каміння від бульб картоплі в середовищі блокованого псевдозрідженого шару займалися Ю.І. Зіновєв, У. Цабельтич, З.С. Торбяєв, В.Є. Зубков, А.М. Брюховецький та інші.
Аналіз робіт показав, що повітряно-механічне відділення міцних земляних грудок, каміння та гнилих і некондиційних бульб при післязбиральній доробці картопляного вороху не вирішено технічно або вирішено частково, що знижує на цей час ефективність використання сепаруючих пристроїв.
У зв’язку з цим нами запропоновано концепцію підвищення ефективності технологічного процесу вторинної сепарації картопляного вороху шляхом теоретичного та експериментального дослідження технологічного процесу, розробкою конструкції та обґрунтуванням параметрів робочих органів сепаратора картоплі з блокованим псевдозрідженим шаром (БПШ).
У другому розділі „Теоретичні передумови з вторинної сепарації картопляного вороху” із використанням методів системного аналізу обґрунтовано й розроблено конструктивно-технологічну схему сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром (рис. 1). Указаний технічний об’єкт складається: із завантажувального транспортера 1, який подає картопляний ворох на решітчастий барабан 4 з БПШ, робоча поверхня якого складається з гірлянд 10 та перетинок 2, які виключають витрати тиску через бокові поверхні шару і що дозволить більш якісно розподілити тиск у робочій зоні сепаратора, який здійснюється через нагнітальну камеру 3 і повітророзподільний пристрій 6. Гірлянди 10 закріплені до решітчастого барабана 4 та виконують функцію сепаруючого шару. Над низхідною частиною обертаючого сепаруючого шару паралельно осі барабана встановлений з’ємник 5 для бульб картоплі та приємний лоток 9 для домішок, за якими розташовано відвідні транспортери 7.
Нагнітальна камера 3 має форму труби з врізаним у неї вікном для подачі повітря до решітчастого барабану 4. Для зменшення витрат повітря по периметру цього
отвору закріплено гумову прокладку, яка забезпечує гарантований зазор між повітряною камерою і барабаном. Діаметр нагнітальної камери рівний або більше, ніж довжина барабана, тому вона є ресивером. Вентилятор з’єднано з нагнітальною камерою-ресивером за допомогою патрубка, який розміщено перпендикулярно до утворюючої барабана та зміщено відносно осі його обертання.
Процес сепарації на робочому орга-
Рис. 1 Конструктивно-технологічна ні протікає таким чином (рис. 2): картоп-
схема сепаратора з блокованим псевдо- ляний ворох подається одношаровим по-
зрідженим шаром током завантажувальним транспортером
до зони I, де на межі зрідження утво-рюється розвал гірлянд, далі компоненти
вороху подаються в зону розділення ІІ, у якій більш легкі компоненти під дією повітряного
потоку спливають на поверхню шару і зємником
5 знімаються з барабана на транспортер 7 в зоні виводу компонентів ІІІ. Більш важкі компоненти (земляні грудки та каміні) залишаються в сепаруючому шарі під дією центробіжних сил і повітряного потоку і падають на прийомний лоток і відвідний транспортер 7 для домішок.
Для розробленої конструктивно-технологіч- Рис. 2 Структурна схема розподілу ної схеми було виконано аналітико-теоретичні барабана сепаратора на ро-
дослідження робочого процесу сепарації картоп- бочи зони.
ляного вороху з метою отримання необхідних
математичних залежностей щодо визначення
параметрів робочих органів машини для
вторинної сепарації картоплі.
Робочий процес машини для сепарації картоплі знаходиться під впливом зовнішніх дій, що постійно змінюються, вони також обумовлені різними факторами.
Для вивчення впливу цих факторів на технологічний процес вторинної сепара-
ції, його зручніше уявляти у вигляді моделі функціонування, яка побудована за принципом „вхід-вихід” (рис. 3).
Вхідними діями в моделі функціонування сепаратора прийняті підставні, які визначають умови роботи: величина подачі матеріалу Wм(t), відсотковий вміст комків та каменів у вороху, що сепарується f(t) та фізико-механічні властивості сепаруючого матеріалу F(t).
За вихідні параметри було взято кількісні показники роботи сепаратора: продуктивність Wсеп(t), ступінь розподілу матеріалу (t) та енергоємність процесу сепарації Э(t).
На вихідні показники роботи сепаратора впливають конструктивно-техноло-гічні параметри: vподачи– швидкість подачі вороху; vпов– швидкість повітряного потоку; Dб– діаметр барабана; уг– щільність укладки гірлянд; Ву– вид укладки гірлянд; lг– довжина гірлянд. Крім того, в моделі враховано потужності приводу завантажувального транспортера Nтр, барабана сепаратора Nб, та вентилятора Nвент.
Завантажуючий стрічково-планчатий транспортер (ЗП) та сепаратор з пристроями подачі та розподілу повітря необхідно розглядати як складну систему, яка є основою для системного аналізу.
З точки зору системного підходу необхідно розглянути взаємодію заванта-жувального стрічково-планчатого транспортера й сепаратора картопляного вороху, теоретично обґрунтувати їх взаємодію і вплив на компоненти картопляного вороху, як при розвантаженні транспортера, так і при сепарації картопляного вороху.
Розглянемо процес сходу компонентів картопляного вороху з стрічково-планчатого транспортеру на сепаратор (рис. 4).
Рис. 3. Модель функціонування се- Рис. 4. Схема сходу з стрічково-
паратора планчатого транспортера компо-
нентів картопляного вороху
Для реалізації реальної взаємодії елементів системи, виходячи з попередньо проведених пошукових досліджень, припускаємо: подача картопляного вороху на сепаратор – одношарова; завантаження сепаратора рядове – укладка компонентів вороху на транспортер визначеними рядами; бульба, яка лежить на транспортері, що рухається, коли наближається до кінцевого барабана, починає круговий рух біля його осі й при цьому на неї діє не тільки прискорення вільного падіння, а й сила інерції.
У початковий момент огинання стрічкою барабана транспортера на компоненти вороху будуть діяти такі сили : G – сила тяжіння тіла; Fц –відцентрова сила; N1 – нормальна реакція стрічки; Fтр – сила тертя.
Нормальна реакція стрічки визначається із математичної залежності:
де m - маса бульби, кг;
g - прискорення вільного падіння, м/с2;
в- кут нахилу стрічково-планчатого транспортера до горизонту, град;
щ- кутова швидкість обертання барабану, рад/с;
r- радіус барабана транспортера, м.
На процес розвантаження стрічково-планчатого транспортера відцентрова сила впливає при наступних умовах:
- якщо вона має співвідношення , тоді: (де – швидкість руху стрічки, м/с);
- при або компоненти вороху збережуть зв’язок зі стрічкою до положення, яке визначається кутом ц0, коли наступає рівновага сили тертя та проекції сили тяжіння на напрямок вектору сили тертя.
При конкретному куті ц0 компоненти вороху відірвуться від стрічки та здійснять політ на поверхню сепаратора. У даному випадку розвантаження буде відцентрово-самотічним.
Складемо рівняння для визначення кута ц0, який дозволить почати ковзання,
де f - коефіцієнт тертя.
Визначимо нормальну реакцію стрічки, узявши суму проекцій усіх сил на нормаль:
Підставимо в рівняння (2) значення NІ та прийнявши отримуємо:
де ц1 - кут тертя поміж картоплею та стрічковим транспортером;
хл – швидкість руху стрічки транспортера.
Після перетворення математичної залежності (4) кут ц0 визначається із залежності:
Далі розглянемо компоненти картопляного вороху в миттєвому положенні, яке визначається співвідношенням кутів ц>ц0, тобто в період їх ковзання (рис. 5).
За даною схемою на тіло будуть діяти такі сили: Fц - радіальна сила інерції; N - нормальна сила поверхні стрічки; Fтр=Nf - сила тертя; - дотична сила інерції, яка визначає кутову швидкість бульби при її миттєвому положенні при , що відповідає куту ц; G- сила тяжіння.
Проектуючи вказані сили на нормальну та дотичну складову сил (рис. 5), отримаємо:
. (6)
Рис. 5. Схема розміщення ко- Розв’язуючи рівняння (6) шляхом
ренебульбоплода в момент виключення нормальної сили поверхні стрічки N,
його ковзання отримаємо диференційне рівняння руху
________________________________________________картопляної бульби в період його ковзання:
Розв’язуючи рівняння (7), отримаємо:
де – швидкість компонентів вороху в мить їх відриву від стрічки, м/с;
цк- кут відриву компонентів вороху від стрічки, град.
Після ряду математичних перетворень рівняння (8) матиме вигляд:
де hс – висота шару землі на транспортері, м;
k - коефіцієнт враховує наявність шару землі, що лежить на всій поверхні стрічки.
Кут цк визначаємо з виразу:
Для якісного процесу розділення компонентів картопляного вороху необхідно визначити значення кінематичних параметрів барабана сепаратора.
Розглянемо поведінку тіл у блокованому псевдозрідженому шарі.
При сепарації картопляного вороху у блокованому псевдозрідженому шарі, тіла рухаються в радіальному напрямку, спливаючи з шару, а рух по дотичній до барабана сепаратора відсутній. На тіло, що рухається в радіальному напрямку від решітки до поверхні шару, діють сили: Рв – виштовхуюча сила; G- вага тіла; Fц - відцентрова.
На компоненти вороху діє відцентрова сила, для визначення якої розглянемо рис. 6. Визначимо силу, яка буде діяти на компонент вороху радіусом Rэ, центр якого знаходиться на відстані R1 від осі обертання.
Проекція елементарної сили на радіальний напрямок буде такою:
де Р- тиск повітряної маси, Па.
де Р0– тиск у центральній частині циліндру, Па;
с- щільність картопляного вороху, кг/м3;
1- коефіцієнт пропорційності;
щ - кутова швидкість БПШ, с-1.
Рис. 6. Схема розподілу тиску де rб- радіус решітного барабана сепаратора, м.
на тіло в БПШ Підставляючи рівняння (12) в рівняння (11),
отримаємо:
Інтегруючи рівняння (13) та виконуючи перетворення, кінцево отримаємо значення сили F:
де V0- об’єм бульби (або компонентів вороху), м3.
Об’єм бульби картоплі нами запропоновано визначити з виразу:
де б=c/b – коефіцієнт, що враховує співвідношення товщини бульби (с) до його ширини (b);
Тоді формула для визначення сили F буде:
Початкову швидкість тіла, що потрапило в блокований псевдозрідженнй шар визначаємо з рівняння:
де Ра - атмосферний тиск, Па;
k1- коефіцієнт, що враховує опір гірлянд;
с- щільність повітря, кг/м3.
де g- прискорення сили тяжіння, м/с2;
h - висота повітряного стовпа в БПШ, м.
Кут відриву (ц) бульби від поверхні блокованого псевдозрідженого шару (БПШ) визначають з виразу:
де – кут переміщення тіла від входу в гірлянди до вертикальної осі, град;
f1- коефіцієнт тертя тіла з гірляндою;
св- щільність вороху, кг/м3;
Rг- сила гірлянд, що діє на тіло;
Рв- сила напору повітря.
Продуктивність сепаратора картопляного вороху визначається за формулою:
де: rб- радіус барабана сепаратора, м;
lг- довжина гірлянд, м;
Lб- довжина барабана, м;
dкв- середній діаметр компонентів вороху, м;
nб- частота обертання барабана, об/хв.;
kкв- коефіцієнт , що враховує нерівномірність надходження вороху на сепарацію;
зсж- коефіцієнт, що враховує стискання шару;
смв(t)- щільність вороху, що змінюється за випадковим законом;
mj- математичне очікування насипної маси картопляного вороху.
Потужність на привід системи розділення картопляного вороху витрачається на привід стрічково-платчатого транспортера (Nтр), барабана сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром (Nб) та вентилятора (Nв), що забезпечує постійний повітряний потік із заданим тиском повітря в сепаруючому шарі.
де Nххт, Nххс- відповідно потужність холостого ходу стрічково-планчатого транспортера та барабана сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром, кВт.
Виконані теоретичні дослідження дозволили обґрунтувати робочий процес сепаратора картопляного вороху та визначити параметри робочих органів машини.
У третьому розділі „Програма та методика проведення експериментальних досліджень” відмічена програма, завдання та методика експериментальних досліджень, а також методика обробки та оптимізації основних параметрів машини.
Програма експериментальних досліджень включає такі питання: визначення техніко-механічних характеристик основних компонентів картопляного вороху; дослідження процесу розподілу повітря по поверхні блокованого псевдозрідженого шару на зовнішній поверхні барабана сепаратора; перевірка технічної залежності щодо визначення кутів скидання компонентів вороху завантажувальним транспортером та його максимальну взаємодію з сепаратором; визначення достовірності теоретичних залежностей щодо визначення продуктивності та потужності приводу сепаратора.
Велику увагу при експериментальних дослідженнях було приділено вивченню техніко-механічних характеристик картопляного вороху та підтвердження теоретичних передумов. Експериментальні дослідження проведено в таких напрямках: визначено розмірні характеристики бульби (довжину, товщину та ширину), які дозволили характеризувати їх за формою та описати теоретично, а також визначити їх масові та обємні характеристики.
Дослідження проведено для найбільш урожайних та розповсюджених сортів картоплі для зони Луганської області. За даними Луганської сортовипробувальної дільниці найбільш урожайним та розповсюдженим сортом картоплі є сорт „Невський”. Другим сортом, що відрізняється від загальної маси за формою, але не менш розповсюдженим є „Циганочка”. Досліджені зразки було зібрано на полі з суглинистим ґрунтом при врожаї близько 13 т/га. Для дослідження кожної фракції бульби з партії масою до 10 т на весні було відібрано від 140 до 210 бульб та проведено вимірювання їх довжини, товщини та ширини за допомогою штангенциркуля, зважування на електричних вагах ВЛКТ-500М, а обєм визначено за допомогою мензурок з водою.
Для проведення експериментальних досліджень було розроблено дві експериментальні установки: лабораторна для дослідження змін статичного тиску по довжині та ширині барабана в залежності від кута встановлення нагнітальної камери, та виробнича установка, на якій визначалися кути відриву компонентів вороху від завантажувального транспортера та барабану сепаратора з БПШ, продуктивність та потужність приводу сепаратора.
Статичний тиск замірювали шляхом введення до блокованого псевдозрідженого шару на зустріч потоку спеціально виготовленої пневмометричної голки, що зєднана трубкою з рідинним манометром (рис. 7). Датчики тиску 2 кріпилися на штанзі 1 по довжині барабана та завантажувалися до шару гірлянд на глибину, рівну половині висоти шару (трубка діаметром 2 мм, довжиною 250 мм, з боковими отворами діаметром 0,25 мм). Кожний датчик приєднувався до U-образного манометру 3. Датчики встановлювалися на штанзі так, щоб осі трубок були паралельні гірляндам шару. Нагнітальна камера сепаратора встановлювалася під кутами 0, 30, 45, 60 та 90 град по відношенню до горизонтальної площини барабана. Замір кута встановлення нагнітальної камери г та кута встановлення штанги з датчиками б проводилися за допомогою спеціального пристрою.
Включався вентилятор, установлювався робочий тиск у блокованому псевдо -зрідженому шарі з надлишковим тиском у БПШ Рст=1100 Па та проводилися заміри тиску по робочій поверхні барабана сепаратора, при зміні кута установки нагнітальної камери та штанги з датчиками. Заміри тиску проводили в 10 точках по довжині барабана сепаратора при фіксованих кутах установки нагнітальної камери та штанги з датчиками. Вимірювання проводилися з 3-х кратною повторністю.
Рис. 7. Лабораторна установка для досліду зміни статичного тиску по робочій поверхні сепаратора
Для дослідження процесу сепарації розроблено та виготовлено експериментальну установку (рис. 8), на якій визначалися кути відриву компонентів вороху від завантажувального транспортера та барабана сепаратора з БПШ, а також продуктивність та витрати потужності на сепарацію.
Експериментальні дослідження проводилися при різних кутах встановлення нагнітальної камери при швидкості стрічки завантажувального транспортера 0,628; 0,942; 1,256 м/с, що відповідає частотам обертання барабану 15; 22,5; та 30 об/хв.
На боковій частині решітчастого барабана сепаратора встановлений кутомір для вимірювання кута входу бульб до псевдозрідженого шару та кута їх виходу з нього. Повторність дослідів прийнята пятикратною.
Продуктивність та потужність установки визначалася на вороху з вмістом домі-
шок 5, 10, 15 та 20%. Співвідношення домішок становило 50% грудок та 50% каміння. Зміни інтенсивності подачі вороху на поверхню сепаруючого барабана, проходили в межах швидкості завантажувального транспортера 0,628; 0,942 та 1,256 м/с, що відповідало частоті обертання барабана сепаратора відповідно 15; 22,5 та 30 об/хв.
Рис. 8. Загальний вигляд дослідної установки: 1- завантажувальний транспортер; 2- повітряпровід; 3- барабан сепаратора; 4- зйомний пристрій; 5- приймальні ємкості; 6- вентилятор; 7- кутомір
Для приводу завантажувального транспортера та барабана сепаратора використовувались електродвигуни постійного струму. Швидкість руху та потужність приводу заміряли з використанням існуючих методик.
Для оптимізації параметрів робочих органів машини використовували метод планування експерименту. Виходячи з апріорних даних та пошукових досліджень, обрані такі фактори оптимізації: частота обертання барабана (nб), ступінь засміченості вороху (л) та кут встановлення зємника бульб ().
У четвертому розділі „Аналіз результатів експериментальних досліджень сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром” наведено результати досліджень техніко-механічних характеристик компонентів картопляного вороху та експериментальних досліджень сепаратора картопляного вороху.
Було встановлено, що найбільшою точністю форма картоплі сортів „Невський” та „Циганочка” відповідають параболоїду. Порівняльні дані теоретичних залеж-ностей щодо визначення обєму та маси вказаних сортів та експериментальних даних показали, що помилка коливається в межах 1,65-12%. Як показали дослідження довжини, ширини, товщини, маса та обєм бульб майже однакові з розмірами, масою та обємами грудок. Тому необхідне використання комбінованих варіантів вторинної сепарації, тобто механічних способів з іншими. Отже, треба визначити коефіцієнти тертя компонентів вороху по різних поверхнях, значення кутів ковзання та кочення, які наведено в роботі. При використанні комбінованих способів сепарації, механічних способів з пневматичними, необхідно враховувати такі параметри як коефіцієнт опору, коефіцієнт вітрильності, а також критична швидкість вітання в повітряному потоці, значення яких узагальнено та наведено в роботі.
Дослідження розподілу повітря по робочій поверхні сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром при різних кутах установки нагнітальної камери прово-дилося згідно з розробленою методикою. При цьому здійснювалась одностороння подача повітря в нагнітальну камеру-ресивер. Експериментальні дослідження пока-зали, що при запропанованії схемі подачи повітря в нагнітальну камеру відбувається рівномірний розподіл тиску по довжині барабана при різних кутах встановлення нагнітальної камери.
Найбільш рівномірно розподіляється тиск по поверхні БПШ при куті вста-новлення нагнітальної камери г=45 град при найменшій різниці тиску в однойменних крапках (рис. 9). Виходячи зі значень кривих на вказаному рисунку, вважаємо, що оптимальним кутом встановлення нагнітальної камери є кут г= 45 град.
Рис. 9. Розподіл тиску повітрян-ного потоку по робочий поверхні блокованого псевдозрідженно-
го шару при куті встановлення
нагнітальної камери г =45 град
- при =0 град;
- при =30 град;
- при =60 град;
- при =90 град
Кут відриву бульб картоплі від стрічково-планчатого транспортера в залежності від кута його нахилу та швидкості руху стрічки транспортера визначався за описаною методикою на розробленій та виготовленій автором установці (рис. 8). Аналіз отриманих даних показав, що для всіх кутів нахилу транспортеру від в=18 град до =24 град зі збільшенням швидкості руху стрічково-планчатого транспортера від хт=0,628 м/с до хт =1,256 м/с кут відриву бульб картоплі від нього ц0 зменшується та описується залежностями: при =18 град, при =20 град, ; при =22 град, ; при =24 град, .
Кути входу бульб у БПШ у залежності від кута нахилу транспортера та швидкості руху стрічки транспортера визначались згідно з розробленою методикою щодо
проведення одно факторного експерименту на виготовленій автором установці (рис. 8).
За результатами експериментальних досліджень отримані залежності у вигляді
рівнянь регресії другого порядку (величина достовірної апроксимації R2=1):
- при = 220, ;
- при = 200, ;
- при = 180, ,
де nб- частота обертання барабана сепаратора.
За результатами експериментальних досліджень отримано залежності кутів ви-
ходу бульб з блокованого псевдозрідженого шару при зміні частоти обертання барабана сепаратора, у вигляді рівнянь регресії другого порядку (величина достовірної апроксимації R2=1):
- при = 220, ;
- при = 200, ;
- при = 180, .
Окрім цього, було визначено кути виходу бульби з БПШ в залежності від кута встановлення завантажувального транспортера в при різних обертах барабана сепаратора, та отримано залежності які представляють рівняння другого порядку (величина достовірної апроксимації R2=1): при nб=15 об/хв, ; при nб=22,5 об/хв, ; при nб=30 об/хв, .
Експериментальну продуктивність сепаратора визначали на установці (рис. 8) фіксацією відсепарованих бульб за одиницю часу. За результатами дослідних та теоретичних даних побудовано криві (рис. 10), які показують, що розбіжність між теоретичними та експериментальними даними становлять 6,3 %.
Рис. 10. Залежності продуктивності установки для сепарації картопляного вороху від швидкості переміщення сепаруючого шару: 1 - теоретична продуктивність барабана сепаратора; 2 - експериментальна продуктивність завантажувального транспортера; 3 – експериментальна продуктивність барабана сепаратора
Визначення потужності приводу сепаратора картопляного вороху проводилось
по описаній раніше методиці. За результатами експериментальних досліджень побу-довано графічні залежності у вигляді логарифмічних кривих (рис. 11), які описують рівняння першого порядку: при частоті обертання барабана сепаратора nб=15 об/хв., у розкодованому вигляді - Nт=0,057ln(л)+0,658; при nб=22,5 об/хв. - Nт=0,0117ln(л)+0,6367; при nб=30 об/хв. - Nт =0,0159ln(л)+0,6283.
Якість роботи сепаратора картопляного вороху характеризується деякими показниками - питомою енергоємністю процесу, продуктивністю та якістю відділення
домішок.
За основний критерій оптимізації було прийнято загальний коефіцієнт сепарації (е), що враховує точність розділення компонентів вороху. Коефіцієнт сепарації визначали за залежністю:
, (21)
де дкл – доля помилково відсортованих бульб, %;
дп - доля помилково відсортованих домішок, %;
л- засміченість вхідного матеріалу (вміст домішок), %.
Рис.11. Залежність потужності приводу барабана сепаратора від засміченості вхідного матеріалу (вмісту домішок у вороху) та при різних обертах барабана
У результаті факторного експерименту з визначення функції відгуку (е), отримано рівняння регресії:
е = 61,118919 + 8,445742пб – 0,242648пб2 + 3,100678 л – 0,109213 л2 ––
4,068871ш +0,015675ш2 – 0,015458пб л +0,102949пбш - 0,000163 л ш , %. (22)
Поверхні відгуку наведені на рис. 12.
Для пошуку оптимальних значень комплексного показника якості - загального коефіцієнту розділення (е) взято приватні похідні від рівняння (22) за трьома змінними. Зрівнявши їх до нуля, отримано систему рівнянь:
(23)
Розв’язавши систему рівнянь (23) методом Крамера за допомогою компютерної програми „Mathcad 11”, отримали оптимальні значення факторів для сепарації бульб картоплі: частота обертання барабана nб =26,3 об/хв; ступінь засміченості вороху л=12,27%; кут встановлення зємника картоплі ш=43,55 град.
Отримана модель є адекватною, тому що розрахунковий критерій Фішера
Fрозр.=5.48 менш ніж табличний (Fтабл.=9.01 при р=0,037). При цьому значення критерію оптимізації е=95,3%.
2. Загальний коефіцієнт розподілу Y=е, при фіксованому значенні одного фактору (поверхні відгуку):
а) Х3 (ш=43,5478 град); б) Х2 (л=12,26449%);
в) Х1 (nб=26,3064 об/хв)
У п’ятому розділі „Економічна ефективність використання сепаратора кар-топляного вороху та рекомендації щодо його використання” наведені результати техніко-економічних показників використання сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром, який використовується при вторинній сепарації картопляного вороху на сортувальних пунктах КСП-15Б та КСП-15В, замість перебирального столу.
Питомі витрати знижуються на 53,2% порівняно з ручною перебіркою на пункті КСП-15В та на 56,6% на пункті КСП-15Б. При цьому річний економічний ефект від використання сепаратора для пункту КСП-15Б становить 3255 грн, а пункту КСП-15В – 5320 грн.
Окрім цього, розроблено рекомендації щодо використання розробленої установки для вторинної сепарації картопляного вороху та методику її інженерного розрахунку які передана керівництву ТОВ “Шульгінка” Старобільського району Луганської області. Методичне забезпечення впроваджено до навчального процесу кафедри сільськогосподарських машин.
ЗАГАЛЬНІ ВИсновки
1. Післязбиральне доопрацювання картоплі технічно повністю не вирішено, бо це трудомісткий технологічний процес, що потребує використання сепаруючих пристроїв з механіко-пневматичними робочими органами.
2. Існуючі технології й технічні засоби не забезпечують якісне розділення картопляного вороху, тому виходячи з системного підходу, обґрунтовано й розроблено технологічну схему і конструкцію сепаратора для розділення його компонентів у блокованому псевдозрідженому шарі.
3. Виконані аналитико-теоретичні дослідження дозволили теоретично обґрунтувати технологічний процес сепаратора з блокованим псевдозрідженим шаром і отримати математичні моделі його продуктивності (п. 2.47), потужності приводу (п. 2.3.), теоретично обґрунтувати рух бульби картоплі при розвантаженні стрічково-планчатого транспортера (п. 2.2), теоретично досліджено процес сепарації компонентів у блокованому псевдозрідженому шарі (п. 2.3.) і визначено його конструктивно-режимні параметри (п. 2.4.).
4. Експериментальні дослідження сепаратора картопляного вороху з блокова-ним псевдозрідженим шаром підтвердили теоретичні передумови і дозволили:
- визначити необхідні механіко-технологічні характеристики бульб;
- оптимізувати основні конструктивно-режимні й технологічні параметри се-паратора картопляного вороху з блокованим псевдозрідженим шаром з використан-
ням методу планування багатофакторного експерименту;
- визначити експериментальну продуктивність установки (W =12,6 т/год) і необхідну потужність приводу (N =11,6 кВт);
- встановити вплив кінематичних параметрів установки на кути входу компо-нентів вороху в БПС і виходу з нього.
5. Лабораторні дослідження установки з сепарації картопляного вороху в блокованому псевдозрідженому шарі, її працездатність, показує, що можливий без-перервний технологічний процес з якісним розділенням вороху при достатньо малому пошкодженні бульб (0,5 %) і низької енергоємності процесу (1,34 кВт/т), та тиску повітря у БПШ 1100-1300 Па.
6. Встановлені основні раціональні конструктивно-режимні параметри установки з сепарації картопляного вороху в блокованому псевдозрідженому шарі, які в натуральному вигляді мають: швидкість руху завантажувального транспортера (хт=1,1м/с), кут нахилу транспортера (в=18 град), частоту обертання барабану сепаратору (nб=26,31об/хв), кут установки зйомника бульб =43,55 град при яких якість розділення складає е=95,3%.
7. Розрахунок техніко-економічної ефективності установки для сепарації картопляного вороху в блокованому псевдозрідженому шарі показав, що використання одного сепаратора в картоплесортирувальних пунктах КСП-15Б і КСП-15В дозволяє вивільнити від ручної роботи 6 перебирачів і дати річний економічний ефект відповідно 3255 і 5319,7 грн. на одну установку.
8. Розроблені рекомендації з ефективного використання установки для сепарації картопляного вороху в блокованому псевдозрідженому шарі (БПШ) і методика її інженерного розрахунку показують, що вона може знайти широке застосування в спеціалізованих підприємствах з вирощування картоплі, середніх і малих фермерських господарствах АПК України, а також на овочевих базах.
Окрім того, дані розробки й дослідження можуть бути використані проектно-конструкторськими і науково-дослідними організаціями, що займаються розробкою таких машин.
Список опублікованних праць за темою дисертації
1. Патент на винахід № 24182А, А01Д 33/08 “Сепаратор коренебульбоплодів від домішок”./ Зубков В.Є., Коваленко О.В., Брюховецький А.М. Лавицький В.П. – 97062718, Заявлено 09.06.97, Опубліковано 07.07.98.
2. Патент на винахід №34935/3, А01Д 33/08 “Сепаратор коренебульбоплодів”./ Коваленко О.В., Кириченко В.Є. –200613387, Заявлено 18.12.2006, Затверджено 13.08.2007.
3. Зубков В.Е., Коваленко А.В. Обоснование производительности пневмомеханического сепаратора корнеклубнеплодов. Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту// Видавництво ЛСГІ. №2(4) - 1998.- С.117-121.
4. Зубков В.Е., Коваленко А.В. О распределении воздушного потока по поверхности блокированного псевдоожиженного слоя. // Збірник наукових праць Луганського державного аграрного університету / Ред. кол.: В.Г. Ткаченко (відп. ред.) та інш. - Луганськ, №4(10) - 1999.- С.143-146.
5. Кириченко В.Е., Коваленко А.В. К теоретическому определению объема и массы клубней картофеля. Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ,
2006.- №64(87). - С.167-174.
6. Коваленко А.В. Анализ исследований, проведенных по вторичной сепарации картофельного вороха. Збірник наукових праць ЛНАУ. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2006. - №68/91.-С.101-109.
7. Коваленко А.В. Обоснование конструктивно-технологической схемы сепаратора картофеля с блокированным псевдоожиженным слоем. Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія: "Механізація та автоматизація виробничих
процесів". Випуск 9(15), 2006.- С. 142-147.
8. Коваленко А.В. Теоретическое обоснование движения картофельного вороха при его сходе с ленточнопланчатого транспортера и определение выталкивающей силы в блокированном псевдоожиженном слое. Збірник наукових праць ЛНАУ. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2006. - №68/91. - С.110-117.
9. Коваленко А.В., Брагинец А.Н. Анализ технических средств, устройств и их рабочих органов, используемых для вторичной сепарации картофеля. Труды Таврической государственной агротехнической академии. Вып. 7. Том 1. - С.182-190.
10. Коваленко А.В. Исследование распределения воздуха по рабочей поверхности сепаратора с блокированным псевдоожиженным слоем для вторичной сепарации картофельного вороха. Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. – Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2007. - №76(99). – 260с.
Анотація
Коваленко О.В. Обґрунтування технологічного процесу і параметрів робочих органів машини для сепарації клубнів картоплі. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Луганський національний аграрний університет, Луганськ,
