Разработка и обоснование параметров барабанной картофелесортировки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Юрасов, Владимир Сергеевич

• Юрасов, Владимир Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юрасов, Владимир Сергеевич

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .Агротехнические требования к картофелесортировальным машинам.

1.2. Обзор существующих машин для сортирования картофеля.

1.2.1. Типы машин для сортирования картофеля.

1.2.2. Картофелесортировальные машины плоско-решетного типа (грохоные).

1.2.3. Картофелесортировальные машины барабанного типа.

1.2.4. Картофелесортировальные машины транспортерного типа.

1.2.5. Роликово-валиковые картофелесортировальные машины.

1.3.Классификация и анализ конструкций картофелесортировок барабанного типа.

Выводы.

1.4. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

РАБОТЫ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ.

2.1. Выбор объекта исследования.

2.1.1. Способы выделения фракций.

2.1.2. Схема барабанной картофелесортировки с последовательным сортированием фракций.

2.1.3. Схема барабанной картофелесортировки с параллельным сортированием фракций.;.

2.2. Обоснование параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки.!\.

2.2.1. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня.

2.2.2. Определение предельного угла подъема клубней на поверхности грани барабана.

2.2.3. Зона скатывания клубней.

2.2.4. Уравнения движения клубня по внутренней поверхности барабана.

2.2.5. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия прохождения клубня сквозь отверстия.

2.2.6. Обоснование параметров барабана - диаметра D, длины L и удельной производительности q.

2.2.7. Обоснование размеров калибрующих квадратных отверстий.

2.3.Определение объемов выходов фракций при сортировании.

2.4. Определение теоретической функции распределения массы клубней картофеля.

Выводы.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа экспериментальных исследований.

3.2. Методика экспериментальных исследований.

3.2.1. Определение физико-механических свойств клубней картофеля.

3.2.2. Методика проведения однофакторных экспериментов.

3.2.2.1 Экспериментальные установки.

3.2.2.2. Определение производительности картофелесортировки.

3.2.2.3. Определение точности сортирования.

3.2.2.4. Определение степени повреждения клубней картофеля.

3.2.3. Методика планирования многофакторного эксперимента.

3.2.3.1. Лабараторная установка.г,.

3.2.3.2. Обработка результатов планирования эксперимента.

3.2.4. Определение энергетических показателей модернизированной экспериментальной картофелесортировки.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Физико-механические свойства клубней картофеля.

4.2. Результаты однофакторных экспериментов.

4.2.1. Результаты экспериментов картофелесортировки с последовательным сортированием фракций.

4.2.1.1. Влияние частоты вращения барабана на точность сортирования клубней.

4.2.1.2. Влияние угла наклона барабана на точность сортирования клубней.

4.2.2. Точность сортирования клубней на установке с параллельным сортированием фракций.

4.2.3. Результаты замеров производительности и степени повреждений.

4.2.3.1. Установка с последовательным сортированием фракций.

4.2.3.2. Установка с параллельным сортированием фракций.

4.3. Результаты планирования эксперимента.

Выводы.

4.4. Результаты проверки картофелесортировальной машины в хозяйственных условиях.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ.

5.1. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с ручным сортированием.

Выводы.

5.2. Расчёт экономической эффективности картофелесортировки при сравнении с барабанной картофелесортировкой фирмы «Grimme».

Выводы.f.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и обоснование параметров барабанной картофелесортировки»

Актуальность темы. Картофель- в России относится к важнейшим сельскохозяйственным культурам, обеспечивающим питание населения и продовольственную независимость страны.

В последние годы значимость картофеля как продовольственно-технической культуры подтверждается его стабильным спросом на рынке, несмотря на существенные изменения в картофелеводстве за последние 10. 12 лет. Так, если в 80-е годы картофель производили крупные специализированные хозяйства с объемами посадочных площадей 100.300 га, то в настоящее время 86 % картофеля производится в неспециализированных личных подсобных и фермерских (крестьянских) хозяйствах с посадочными площадями до 50 га [68]. Уровень механизации работ в хозяйствах значительно снизился, выросли затраты при уборке, послеуборочной и предпосадочной обработке картофеля. Важное значение для получения высоких и стабильных урожаев картофеля является его посадка отсортированным на фракции посадочным материалом. Однако серийное производство машин для сортирования картофеля практически прекратилось, поэтому в хозяйствах резко возросла доля ручного труда при сортировании картофеля. В связи с этим вопрос необходимости создания эффективных малогабаритных картофелесортировальных машин производительностью до 3 т/ч имеет актуальное значение.

Среди известных устройств для разделения клубней картофеля на фракции барабанная картофелесортировка имеет наиболее простую конструкцию, но ее работа недостаточно изучена. Поэтому представляет научный и практический интерес изучение технологического процесса, обоснование параметров и режимов работы барабанной сортировки картофеля.

Проведенные исследования явились составной частью работ Нижегородской ГСХА по теме НИОКР на 2000 - 2005 годы: Усовершенствование технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области. Работа выполнялась на основе тематического плана, утверждённого Учёным Советом Нижегородской государственной сельскохозяйственной щ академии в 1997 г., по научно-исследовательской теме: «Разработка технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области».

Цель исследований. Разработка и обоснование конструктивно-технологической схемы, параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью для фермерских (крестьянских) хозяйств.

Объект исследования. Технологический процесс и конструкция барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик, а также по частным методикам, разработанным с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием известных методов расчётов на ПЭВМ.

Научная новизна. Разработана и обоснована конструктивно-технологическая схема барабанной сортировки клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью (Свидетельство РФ на полезную модель № 26015), теоретически обоснованы размеры калибрующих отверстий для получения фракций соответствующих масс, получены уравнения, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Проведенные исследования позволили создать малогабаритную барабанную сортировку клубней картофеля с эластичной призматической сортирующей поверхностью, обладающей точностью сортирования, соответствующей требованиям картофелепроизводителей и обосновать ее технологические режимы работы.

Экспериментальные образцы барабанных картофелесортировок изготовлены и внедрены в фермерском хозяйстве ООО «Волга» Балахнинского района Нижегородской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА (2001.2004 гг.) и Чувашской ГСХА (2003 г, приложение 4).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Конструкция и принцип работы малогабаритной барабанной картофелесортировки с эластичной призматической сортирующей поверхностью.

2. Теоретические зависимости, устанавливающие связь между параметрами и режимами работы сортировки, учитывающие физико-механические свойства клубней.

3. Теоретические соотношения картофеля во фракциях и функциональная зависимость плотности распределения массы клубней.

4. Результаты экспериментальных исследований.

5. Технико-экономическое обоснование целесообразности использования малогабаритной барабанной картофелесортировки в фермерских (крестьянских) хозяйствах

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, 58 рисунков, 28 таблиц и 7 приложений. Список литературы включает 94 наименования, из них 2 на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Юрасов, Владимир Сергеевич

Выводы.

• Анализ агротехнических требований указывает на то, что до сих пор стандартами не установлены единые требования к качеству сортирования картофеля. Не определено понятие точности сортирования и не указаны его допустимые значения по фракциям.

• Анализ конструкций существующих типов картофелесортировок показывает, что картофелесортировка барабанного типа по своим техниког технологическим показателям может служить основной машиной для сортирования клубней картофеля в фермерских (крестьянских) хозяйствах, однако требуется более подробное исследование и обоснование параметров и режимов ее работы.

1.4. Цель и задачи исследования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юрасов, Владимир Сергеевич, 2004 год

1. ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ БАРАБАННОЙ КАРТОФЕЛЕСОРТИРОВКИ9

2. Выбор объекта исследования 2.1.1. Способы выделения фракций

3. Процесс сортирования (калибрования) вороха клубней в общем случае сводится к комбинациям нескольких процессов сепарации различных двухком-понентных масс, осуществляемых в той или иной последовательности 43.

4. Различают два способа выделения фракций последовательный и параллельный (рисунок 2.1).

5. У картофелесортировок барабанного типа может использоваться как последовательный, так и параллельный способ выделения фракций.

6. Картофелесортировка состоит из рамы 1 (рисунок 2.2), приемного лотка 2, сортировочного барабана 3, трех скатных лотков и мотор-редуктора 4 35, 37, 78, 92.

7. Рама 1 представляет собой сварную конструкцию из равнобоких уголков 40x40x4 мм. В передней части рама опирается на две опоры, которые позволяют регулировать угол наклона сортировального барабана.

8. Приемный лоток 2 выполнен из труб и приварен к раме сортировки. Дно приемного лотка представляет собой прутковое решето. Через зазоры между прутьями воячейки 35*J5j5*45 (50*50)77?-^принесимелкаясредняя фракция77?---777крупная

9. Рисунок 2.2 Конструкционно-технологическая схема картофелесортировки с последовательным сортированием фракций1.рама; 2-приемный лоток; 3-сортировочный барабан; 4-мотор-редуктор; 5-таравремя скатывания частично просеиваются почвенные примеси.

10. Рисунок 2.3 Сортировочный барабан картофелесортировкиа) вид общий; б) обод средний

11. Скатные лотки расположены под сортировочным барабаном и выполнены из листовой стали.

12. Привод сортирующего барабана осуществляется с помощью мотор-редуктора 4 мощностью 0,37 кВт.

13. Картофелесортировка состоит из рамы 1 (рисунок 2.4), приемного лотка 2, сортирующего барабана 3, трех скатных лотков: мелкой 5, средней 6 и крупной 7 фракций, и мотор-редуктора 4 38.

14. Рама 1 представляет собой сварную конструкцию из труб различных профилей и равнобоких уголков. В передней части рама опирается на две ножки, позволяющие регулировать угол наклона сортирующего барабана.

15. Приемный лоток 2 представляет собой прутковое решето, через просветы которого во время скатывания частично просеиваются почвенные примеси.

16. Скатные лотки мелкой 5, средней 6 и крупной 7 фракций, расположенные под сортирующим барабаном, выполнены из стальных прутков.

17. Привод сортирующего барабана осуществляется от мотор-редуктора 4 через контрпривод.

18. Для уменьшения скорости картофеля на выходе со скатных лотков установлены брезентовые гасители скорости. Для замены тары без отключения машины на лотках установлены заслонки.

19. К основаниям внутреннего барабана прикреплены обечайки из стального листа для исключения повреждений клубней картофеля во время загрузки.

20. Поисковыми опытами 8. установлено, что производительность картофелесортировки с параллельным сортированием клубней такая же как у картофелесортировки с последовательным разделением фракций, но при этом коэффициент точности сортирования ниже.

21. Обоснование параметров и режимов работы барабанной картофелесортировки.22.1. Определение допустимой частоты вращения барабана из условия относительного перемещения клубня.

22. Наблюдения за рабочим процессом призматической сортировки картофеля позволили выявить различные виды движения клубней, находящихся на внутренней поверхности призматического барабана.

23. Движения клубня картофеля как материальной точки по внутренней призматической поверхности аналогичны движениям материальной точки по цилиндрической поверхности барабана, но имеют свои особенности.

24. По отношению к поверхности барабана точка может находиться в относительном покое, вращаясь вместе с барабаном, или быть в движении, перемещаясь по поверхности с относительной скоростью.

25. Скорость Va абсолютного движения точки складывается из скорости Vn переносного движения (скорости самого барабана) и скорости V0 относительного движения 71.: /1. Va = Vn + V0 (2.1)

26. При относительном покое (Vo = 0) и равномерном вращении барабана Va = Vn = const (2.2).

27. Положение клубня определяется углом /? и радиусом R. Линейная скорость клубня V, м/с выражается формулой:г

28. Центробежная сила определяется выражением J = • Разложив силу тяжести и центробежную силу по двум направлениям: касательному и нормальному к грани, имеем 83.:1. Т = GsmamV'1. N = Gcosa +RmV: R•sin/?;cos J3,2.5)2.6)

29. Сила трения выражается формулойr21. FTP=fN = fmV 01. Gcosa +-cos pR2.7)

30. Просеивание клубня возможно лишь при его относительном движении по грани.

31. Частота вращения призматического барабана находится из уравнения движения клубня по грани m = Т FTPdVmV1 .или m^^1— = Gs'ma-——sin В f dt R1. Gcosa +mV'R1. COS P2.8)

32. Сделав соответствующие преобразования, получим: 1 dVco2r---— = (sin a / cos a)--(/ + tg/3).g dt g2.9)dV

33. Для движения частицы по грани необходимо, чтобы — > 0dtилиб)2гsintf- / cosa >-(/ + tgj3).g2.10)1. Г *

34. Выражая угловую скорость со через частоту вращения п, получаем:2.11)30 g (sina-fcosa)1. TIT (.f + tgfi)

35. Учитывая, что / = tg<p (Ф угол трения клубней картофеля о капроновую сетчатую поверхность) и проведя преобразования имеем:30 g sin (а ф) • cos р n~Vlj7 sin(/7 + ф) <2-12)

36. Предельное положение грани, при котором еще возможно просеивание клубня соответствует углу а = 90°, а предельное значение угла/7 зависит от числа граней призматического барабана. При шестигранной призме fimax = 30°, а при восьмигранной /?тах = 22,5°.

37. При а = 90° формула принимает вид:30 g cos^-cos/7sin(P + <p) • (2ЛЗ)cosp-cos/? „

38. Обозначив ч = + ^ показатель, зависящии от угла трения клубня осетчатую поверхность и угла Р, формула будет иметь выражение:1. STV 7'*' <2-14)

39. Для цилиндрической барабанной сортировки частоту вращения барабана рекомендуется 57. выбирать с учетом формулы:1. П6~ЪЦТ6 (2-15)

40. Полученная формула (2.14) похожа на формулу (2.15) и отличается на величину .

41. Но при Р = 0°, когда призма переходит в цилиндр, а угол трения составляет Ф = 45° формула (2.14) превращается в формулу (2.15).г *

42. Расчет допустимой частоты вращения призматического барабана по формуле (2.13) с учетом числа граней z, радиуса г при угле трения ^ = 45° приведен в таблице 2.1.