Размещено на http://www.allbest.ru/

ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Обґрунтування параметрів і режимів роботи установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур

Бондаренко Лариса Юріївна

Мелітополь 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Таврійському державному агротехнологічному університеті Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Караєв Олександр Гнатович, Інститут зрошуваного садівництва ім. М.Ф. Сидоренка УААН, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дубровін Валерій Олександрович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, директор Науково-дослідного інституту екобіотехнологій та біоенергетики

кандидат технічних наук, доцент Стручаєв Микола Іванович, Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри гідравліки і теплотехніки

Захист відбудеться «12» листопада 2010 р. о 10 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійського державного агротехнологічного університету за адресою: 72312, Запорізька область, м. Мелітополь, проспект Б.Хмельницького, 18, навчальний корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Таврійського державного агротехнологічного університету за адресою: 72312, Запорізька область, м. Мелітополь, проспект Б. Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий «01» жовтня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Т. Діордієв

1. Загальна характеристика роботи

кісточковий насіння калібрування саджанець

Актуальність теми. Виробництво садивного матеріалу плодових культур в Україні здійснюється у 173 господарствах різної форми власності, кожне з яких щорічно вирощує від 6,0 до 6,5 тис. саджанців. Виробництво саджанців плодових кісточкових культур за період з 2001 року по теперішній час зросло у 1,6 раза, але залишається недостатнім для запланованої заміни старих малопродуктивних садів. Сучасні ринкові вимоги до якості плодової продукції обумовлюють потребу в закладанні плодових насаджень саджанцями, з показниками якості, що відповідають вимогам ДСТУ 4938.

Інноваційним напрямком отримання високоякісного садивного матеріалу є вирощування саджанців за технологією, яка виключає операцію пересадки підщеп, що забезпечує збільшення кількості стандартної продукції з одночасним зменшенням її собівартості. Ця технологія містить операцію підготовки насіння шляхом сортування його за розмірними ознаками. Відсутність засобів механізації, що забезпечують здійснення даної операції, стримує впровадження згаданої технології у промислове виробництво. У зв'язку з цим розробка установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Таврійському державному агротехнологічному університеті згідно з держбюджетною темою у межах програми 2 «Розробка технологій і технічних засобів для рослинництва в умовах зрошуваного землеробства півдня України», підпрограма 2.3.1 «Обґрунтувати конструктивно - технологічну схему установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур» (номер державної реєстрації 0107U008955), а також згідно з договором про наукову співпрацю, укладеним між Таврійським державним агротехнологічним університетом та Інститутом зрошуваного садівництва ім. М.Ф. Сидоренка УААН за завданням 06.01 «Обґрунтувати параметри сепаратора для калібрування насіння кісточкових культур» (номер державної реєстрації 0106В0006181).

Мета і завдання дослідження. Мета досліджень - отримати однорідний за розмірами посівний матеріал плодових кісточкових культур шляхом розділення насіння на фракції з відхиленням по масі до 10 % за рахунок калібрування його на решетах, що здійснюють коливальний рух в горизонтальній площині.

Для досягнення мети досліджень вирішувалися такі завдання:

- визначити фізико-механічні властивості та розмірно-масові параметри насіння плодових кісточкових культур і встановити взаємозв'язки між ними;

- обґрунтувати конструктивно-технологічну схему установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур;

- розробити математичну модель процесу оптимізації параметрів кулькових очисників решіт, що використані в установці для калібрування;

- обґрунтувати форму та розміри отворів решіт для калібрування насіння плодових кісточкових культур і визначити параметр розділення насіння на фракції;

- визначити оптимальні значення конструктивних параметрів і режимів роботи установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур;

- виготовити макетний зразок установки для калібрування, провести виробничі випробування і дати техніко-економічну оцінку ефективності застосування установки в технології вирощування саджанців без пересадки підщеп.

Об'єкт дослідження - процес калібрування сипких матеріалів за розмірними ознаками.

Предмет дослідження - закономірності впливу параметрів і режимів роботи установки на якість калібрування насіння плодових кісточкових культур.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені з використанням механіко-математичного моделювання та базувалися на положеннях теоретичної механіки, теорії удару, методів математичного аналізу, диференціального числення та теорії ймовірності, з подальшою розробкою прикладних програм.

Експериментальні дослідження проведені з використанням методів математичного планування експерименту. Обробка результатів цих досліджень здійснювалась за допомогою ЕОМ з використанням прикладних програм, теорії ймовірності, регресійного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше визначено, що насіння вишні, черешні, абрикоса, аличі і мигдалю доцільно розділяти на три фракції: крупну, середню і дрібну. При цьому виявлено, що середня фракція є найбільш вирівняною за розмірами і складає близько 80% від загального обсягу насіння, та встановлено, що калібрування слід проводити за шириною кісточки.

2. Набуло подальшого розвитку теоретичні положення процесу роботи кулькових очисників решіт у напрямку визначення часу вибивання застряглого насіння із отворів решіт та отримано залежності розподілу енергії кульки при ударі об решето від конструктивних параметрів очисників.

3. Вперше визначено вплив конструктивних і кінематичних параметрів процесу калібрування на якість розділення насіння плодових кісточкових культур на фракції та отримано їх оптимальні значення.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в забезпеченні процесу вирощування саджанців плодових кісточкових культур за технологією без пересадки підщеп однорідним за розмірами посівним матеріалом.

Одержані в дисертаційній роботі результати дозволяють на стадії проектування визначати параметри кулькових очисників решіт, які можуть бути застосовані для калібрування інших видів сипких матеріалів, використовуючи розроблену методику розрахунку із програмуванням на ЕОМ.

Розроблено макетний зразок установки для калібрування, який пройшов випробування в ІЗС ім. М.Ф. Сидоренка УААН. Результати досліджень впроваджені в ДП ДГ «Мелітопольське» і підтвердили свою економічну ефективність.

Запропонований спосіб розділення кісточок і конструкцію установки для реалізації цього способу захищено двома патентами України на корисні моделі (патент № 48823 і патент № 48097).

Особистий внесок здобувача. Автором особисто проведено аналіз сучасного стану питання в плодовому розсадництві щодо отримання однорідної за розмірами фракції насіння плодових кісточкових культур та засобів механізації для сортування сипких матеріалів [6, 8]. Вивчено основні розмірно-масові параметри [1, 4, 5] та фізико-механічні властивості [2, 3] кісточок плодових культур. Визначено ознаку, параметр [7] і спосіб [10] розділення насіння на фракції. Отримано математичну модель процесу оптимізації геометричних параметрів кулькових очисників решіт, які забезпечують якісне протікання процесу калібрування, із програмуванням на ЕОМ. Розроблено математичні моделі планування експерименту з оптимізації параметрів і режимів роботи установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур, які безпосередньо впливають на показник якості розділення насіння на фракції [9]. Дисертантом особисто розроблено макетний зразок установки, що забезпечує отримання якісного посівного матеріалу, для застосування в розсадницьких господарствах [11].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів, співробітників і магістрів ТДАТУ в 2005-2009 роках, а також на міжнародних науково-технічних конференціях в смт Глеваха в 2006-2008 роках.

Публікації. Основні результати досліджень за темою дисертаційної роботи опубліковано у 9 наукових статтях фахових видань. Отримано 2 патенти України на корисні моделі. Загальний обсяг наукових праць складає 4,0 друкованих аркушів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шістьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 211 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи складає 221 сторінку тексту, з якого на 144 сторінках викладено основний текст роботи, на 59 сторінках - додатки. Робота включає 58 рисунків (графіки, схеми і фотографії), 23 таблиці.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об'єкт, предмет, методи та основні завдання досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі «Сучасний стан засобів механізації калібрування насіння плодових кісточкових культур» розглянуто технологічний процес вирощування саджанців плодових кісточкових культур (ПКК). Встановлено, що на даний час у плодовому розсадництві не існує механізованої операції сортування насіння на однорідні за розмірами фракції, що стримує впровадження у виробництво технології вирощування саджанців без пересадки підщеп.

Виходячи з аналізу існуючих засобів механізації сортування насіння сільськогосподарських культур встановлено, що доцільніше сортувати посівний матеріал ПКК способом калібрування, а за робочий орган прийняти плоске решето, що здійснює коливальний рух у горизонтальній площині за допомогою ексцентрика. Дослідженням впливу параметрів роботи плоских решіт, що здійснюють гармонійні коливання, на якість розділення займалися багато вчених, серед них: М.Н. Летошнєв, Г.Д. Терсков, І. Г. Воронов, І.Є. Кожуховський, В.М. Цециновський, Н.Г. Гладков, П.М. Василенко, А.В. Міняйло, Г.З. Файбушевич, В.С. Биков, С.С. Ямпилов та інші.

Аналіз пристроїв для очищення решіт дозволив встановити, що найбільш ефективним та економічно вигідним є використання інерційних очисників ударної дії із випадковим рухом робочих органів, а саме гумових кульок.

Фундаментальними роботами з визначення параметрів кулькових очисників є дослідження Г.З. Файбушевича, П.М. Заїки, В.Ф. Рідного, О.І. Завгороднього. У роботах наведених авторів вивчався вплив сил зчеплення насінини з крайками отворів на інтенсивність виштовхування її з отвору та процес очищення решіт шляхом удару гумової кульки безпосередньо по насінню, що заклинило.

Виходячи з того, що розміри кісточок плодових культур значно відрізняються від насіння сільськогосподарських культур, дослідження вищенаведених авторів не можливо застосувати у повній мірі для обґрунтування параметрів робочих органів, що впливають на процес калібрування насіння ПКК. На підставі проведеного аналізу сформульовано мету та завдання досліджень. У другому розділі «Механіко-технологічні властивості насіння плодових кісточкових культур» наведено експериментальні дані розмірно-масових параметрів та фізико-механічних властивостей насіння ПКК (рис. 1), а саме: мигдалю, абрикоса, аличі, вишні магалебської і черешні (далі - всіх культур).

Рис. 1 Загальний вигляд насіння плодових кісточкових культур: а - вишня; б - черешня; в - алича; г - абрикос; д - мигдаль

У результаті визначення розмірно-масових параметрів кісточок плодових культур встановлено їх інтервали варіювання (табл. 1). Отримані данні оброблено за допомогою ЕОМ із використанням програми «Statistica-6» та офісного додатку «Microsoft Office Excel». Для кожного параметра виявлено основні статистичні характеристики (середні значення величин , середні квадратичні відхилення у, коефіцієнти варіації V, показники точності визначення середнього значення ). Отримані дані свідчать про те, що варіювання значень розмірів насіння для всіх культур незначне (V < 12%), але дуже значне (V > 20%) варіювання маси, особливо у мигдалю (25%). На відміну від коефіцієнта варіації, показник точності визначення середнього значення приймаємо як «дуже хороший» ( < 1%).

Таблиця 1 Інтервали варіювання параметрів кісточок плодових культур

Показник	Абрикос	Алича	Вишня	Черешня	Мигдаль
Довжина, мм	мінімум	15,4	12,0	5,3	7,1	18,6
	максимум	28,8	22,0	10,0	9,8	39,6
Ширина, мм	мінімум	12,8	10,0	3,7	6,0	11,9
	максимум	23,5	15,0	7,5	9,0	24,9
Товщина, мм	мінімум	9,0	6,0	3,1	4,4	8,0
	максимум	14,3	9,0	5,8	7,5	15,2
Маса, г	мінімум	0,340	0,310	0,031	0,090	0,900
	максимум	2,900	0,990	0,095	0,300	5,200

Побудовано гістограми та варіаційні криві розподілу параметрів кісточок (рис. 2), які свідчать про те, що розподіл всіх вимірюваних параметрів можна описати нормальним законом.



Рис. 2 Гістограми та криві розподілу параметрів кісточок мигдалю: а - розміри; б - маса

Аналіз отриманих даних дозволив встановити, що насіння всіх культур достатньо розділяти на три фракції: крупну, середню і дрібну. При цьому середня фракція є найбільш вирівняною за розмірами і складає для всіх культур близько 80% від загального обсягу насіння, а коефіцієнт варіації V маси кісточок відповідно до кожної фракції насіння знаходиться у межах від 10% до 20%, що свідчить про середню мінливість цього параметра.

Кореляційно-регресійний аналіз взаємозв'язків між масою m і розмірами (довжиною ?, шириною h і товщиною b) кісточок (рис. 3) дозволив встановити, що між ними існує лінійний кореляційний зв'язок. Визначено, що для всіх культур найбільш тісний зв'язок із масою мають ширина (коефіцієнт кореляції від r = 0,56 у черешні до r = 0,75 у абрикоса) і товщина (коефіцієнт кореляції від r = 0,45 у черешні до r = 0,72 у абрикоса) кісточки. Досліджуючи множинні кореляційні зв'язки (рис. 4) встановлено вплив ширини і товщини на масу (множинний коефіцієнт кореляції у цьому разі приблизно дорівнює для всіх культур R = 0,7) та зв'язок між розмірами (множинний коефіцієнт кореляції для всіх культур приблизно становить R = 0,71). У результаті досліджень встановлено, що розділення партії насіння можливо проводити за шириною або товщиною кісточки, а для оцінки якості калібрування використовувати масу насіння.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Кореляційні зв'язки між параметрами кісточок мигдалю: а - розмірами та масою; б - товщиною, довжиною і шириною

m = -2,3637 + 0,1433·х + 0,192·у R = 0,76

h = 4,82 + 0,087·х + 0,949·у R = 0,57

Рис. 4 Множинні кореляційні зв'язки між параметрами кісточок мигдалю: а - розмірами та масою; б - товщиною, довжиною і шириною

Для отримання більш детальної інформації про насіннєвий матеріал ПКК були визначені фізико-механічні властивості насіння, а саме: статичний fs та динамічний fd коефіцієнти зовнішнього тертя (табл. 2), коефіцієнт внутрішнього тертя, кут природного укосу, об'ємна маса та маса 1000 насінин. Встановлено, що для всіх культур коефіцієнт тертя по конструкційній сталі має приблизно однакові значення, що свідчить про доцільність виготовлення решіт саме з цього матеріалу. Приймаємо: fs = 0,32; fd = 0,28.

Таблиця 2 Статичний та динамічний коефіцієнти зовнішнього тертя

Насіння культур	Поверхня тертя
	Сталь	Деревина	Полімер
	конструкційна	нержавіюча	пофарбована
	fs	fd	fs	fd	fs	fd	fs	fd	fs	fd
Мигдаль	0,322	0,283	0,313	0,231	0,372	0,235	0,408	0,236	0,338	0,239
Абрикос	0,319	0,266	0,292	0,251	0,298	0,234	0,421	0,288	0,340	0,299
Алича	0,319	0,275	0,308	0,229	0,436	0,213	0,466	0,306	0,442	0,293
Черешня	0,334	0,293	0,380	0,238	0,420	0,215	0,475	0,276	0,406	0,246
Вишня	0,315	0,286	0,426	0,233	0,396	0,232	0,533	0,253	0,424	0,282

Встановлено, що коефіцієнт внутрішнього тертя складає для вишні і черешні f*= 0,69, абрикоса й аличі f*= 0,55, мигдалю f*= 0,41; кут природного укосу - для вишні і черешні б = 350, абрикоса й аличі б = 290, мигдалю б = 220; об'ємна маса - для вишні г = 0,55 г/см3, черешні г = 0,59 г/см3, абрикоса г = 0,49 г/см3, аличі г = 0,48 г/см3, мигдалю г=0,54 г/см3.

Для проведення розрахунків щодо конструкції бункера для насіння, прийнято такі показники: коефіцієнт внутрішнього тертя f* = 0,69; кут природного укосу б = 35 0; об'ємна маса г = 0,59 г/см3 .

На підставі проведених досліджень розмірно-масових параметрів і фізико-механічних властивостей кісточок плодових культур розроблено конструктивно-технологічну схему установки для калібрування, яка наведена на рис. 5. Розділення насіння ПКК за такою схемою відбувається на три фракції і виконується на двох решетах 10, встановлених послідовно один під одним. Кулькові очисники 11 є елементом решітної частини установки.

У третьому розділі «Теоретичне обґрунтування параметрів кулькових очисників» наведено результати процесу оптимізації параметрів кулькових очисників решіт, що використані в установці для калібрування, а саме: діаметра кульки D, висоти підрешітного простору H і відстані між прутками t.

Для виготовлення кульок прийнято марку гуми 1847, для якої експериментально визначено коефіцієнт відновлення швидкості після удару k = 0,7.

За цільову функцію оптимізації параметрів кулькового очисника, а саме: діаметра кульки D(opt), відстані між прутками t(opt) і висоти підрешітного простору H(opt), прийнято мінімізацію математичного очікування часу вибивання Т застряглої кісточки з отвору решета.

Розглянемо рух кульки між відбивною поверхнею та поверхнею решета. Припустимо, що він еквівалентний руху матеріальної точки у підрешітному просторі (рис. 6). Вважатимемо, що після усталеного процесу руху кульки кожна з них при підльоті до решета має горизонтальну і вертикальну складові швидкості.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Конструктивно-технологічна схема лабораторної установки для калібрування: 1 - решітна частина; 2 - шатун; 3 - рама; 4 - електродвигун; 5 - пасова передача; 6 - вал із регулюванням амплітуди коливань; 7 - передні стояки; 8 - бункер для насіння; 9 - розподільна скатна дошка; 10 - сортувальні решета; 11 - кулькові очисники решіт; 12 - задні стояки з механізмом регулювання кута нахилу решіт; 13, 14,15 - лотки для виведення фракцій; 16 - приймальні лотки

Для вирішення завдання оптимізації прийнято такі припущення:

1. Зміщення кульки відносно прутка д (рис.6) - стохастична величина, розподілена рівномірно на відрізку [0;t/2] .

2. Фаза коливання у момент зіткнення кульки з прутком - стохастична величина, розподілена рівномірно на відрізку [0;2/].

3. Модуль швидкості v кульки безпосередньо перед ударом об решето є випадковою величиною з функцією розподілу f(v).

4. Кут відхилення швидкості перед ударом об решето б розподілений приблизно нормально, при цьому 3 = /2.

Для побудови математичної моделі оптимізації геометричних параметрів кулькового очисника умовно розіб'ємо один повний цикл руху кульки в підрешітному просторі на 4 етапи: удар об решето; вільне падіння в полі сил тяжіння; удар об пруток; підйом до решета.

Швидкість кульки на початку руху має такі складові:

. (1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Схема обґрунтування математичної моделі: 1 - сортувальне решето; 2 - гумова кулька; 3 - пруток відбивного решета; H - висота простору між решетом і відбивною поверхнею; D - діаметр кульки; d0 - діаметр прутка; t - відстань між прутками; д - зміщення кульки відносно прутка

При ударі об решето горизонтальна складова швидкості у середньому зберігається, вертикальна перетворюється як при частково пружному ударі, тому швидкість кульки в момент удару об решето має такі складові:

. (2)

Швидкість кульки наприкінці падіння:

Швидкість кульки після удару об пруток:

, (4)

де - кут між напрямком швидкості після удару об пруток та вертикаллю;

Швидкість при підйомі до решета:

Звідки маємо, що швидкість кульки після повного циклу задається стаціонарною функцією від параметрів (v0 , б, д, ):

. (6)

Для знаходження функції розподілу f(v) досить відмітити, що вона задовольняє: 1. Інтегральному рівнянню:

, (7)

де R(v1,v0) - щільність розподілу величини v1 після повного циклу за умови, що швидкість на початку циклу дорівнює v0.

2. Умові нормування:

. (9)

Знаходження такої функції проведено чисельними методами. Прийнято, що час повного циклу руху кульки коливається навколо деякої середньої величини, для чого визначимо: - середню швидкість кульки у поверхні решета на початку циклу:

; (10)

- середній шлях циклу руху кульки:

; (11)

- тривалість часу проходження циклу за умови, що початкова швидкість vy:

. (12)

Тоді при умові, що початкова швидкість дорівнює , середній час руху кульки у повному циклі визначиться за формулою:

. (13)

Ймовірність того, що в одиничному циклі кулька виб'є кісточку:

. (14)

де Е - енергія кульки, необхідна для вибивання кісточки з отвору;

- щільність матеріалу кульки (кг/м3).

Ймовірність протилежної події буде:

Q = 1 - P.

Тоді математичне очікування часу вибивання кісточки визначимо так:



Таким чином, для отримання оптимальних параметрів кулькових очисників достатньо мінімізувати функцію (15) із застосуванням покоординатного методу пошуку мінімуму.

Функція (15) залежить також від енергії вибивання Е. Якщо силу зчеплення кісточки з крайкою отвору прийняти в середньому для всіх культур F = 2H, а величину контакту кісточки з отвором прийняти як дві товщини решета (h = 0,0028 мм), то енергію вибивання оцінимо за формулою:

.

Режими роботи установки повинні бути такими, щоб забезпечити енергію, необхідну для вибивання кісточок, що застрягли в отворах решета. Розроблена комп'ютерна програма дозволяє визначати значення енергії вибивання кісточки з отвору в залежності від діаметра кульки D, висоти підрешітного простору H та відстані між прутками t. Обчислення проводились при значеннях параметрів: k = 0,7; = 48,2 с-1; A = 0,01 м; = 1050 кг/м3.

Графіки щільностей розподілу енергії вибивання наведені на рисунках 7 - 9, де жирною лінією позначено критичне значення енергії кульки Е = 2 мДж, при якому в середньому відбувається вибивання кісточок.

Із графіків видно, що при D < 25 мм і t < 0,4D процес вибивання практично не буде відбуватися, тому що енергії кульки буде недостатньо, щоб вибити застряглу кісточку з отвору.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Залежність розподілу енергії кульки від її діаметра (при t = 0,7D; H = 1,2D)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8 Залежність розподілу енергії кульки від відстані між прутками (при D = 0,033м; H = 1,2D)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9 Залежність розподілу енергії кульки від висоти підрешітного простору (при D = 33 мм; t = 0,7D). Аналізуючи отримані криві, встановлено області оптимальних значень параметрів кулькового очисника: 1) діаметр кульки належить до інтервалу [25; 35] (практичні обчислення показали, що при діаметрах, менших за 25 мм енергія кульки є надто малою); 2) враховуючи рекомендації П.М. Заїки і В.Ф. Рідного, інтервал значень для висоти підрешітного простору є залежним від діаметра кульки і повинен складати Н = (1,2 - 1,4)D 3) інтервал значень для відстані між прутками визначено, враховуючи, що він повинен бути не більше ніж 0,7D (у протилежному випадку стає істотним явище багатократного удару кульки об прутки) і не менше ніж 0,5D (інакше ефект від бокових ударів прутка стане занадто малим). Приймаємо t = (0,5 - 0,7)D

Як метод пошуку мінімуму функції однієї змінної застосуємо метод золотого перерізу. Цей метод збігається повільніше, ніж градієнтні методи, але не потребує неперервної диференційованості функції. Оптимізацію функції (15) було проведено за допомогою розробленої комп'ютерної програми. У результаті теоретичних досліджень та проведених розрахунків встановлено такі оптимальні значення параметрів кулькових очисників: діаметр кульки D = 33 мм; відстань між прутками t = 23 мм; висота підрешітного простору H = 40 мм.

У четвертому розділі «Методика експериментальних досліджень» наведено програму і методику пошукових та експериментальних досліджень, описано експериментальну установку, умови проведення експериментів та застосовану вимірювальну апаратуру.

За критерій оптимізації прийнято показник якості розділення, який виражається у відсотках маси і визначається за формулою:

, (16)

де ід , досл - відповідно ідеальне і дослідне значення коефіцієнта ефективності калібрування, якій виражається у відсотках маси.

, (17)

де Мi - маса отриманої фракції насіння, г;

М заг - загальна маса дослідного насіння, г.

Ідеальне значення коефіцієнта ефективності калібрування отримано за результатами визначення розмірно-масових параметрів насіння ПКК.

На підставі одержаних результатів теоретичних досліджень та обраної конструктивно-технологічної схеми виготовлено макетний зразок установки для калібрування (рис. 10) насіння, на якій встановлено вал із механізмом регулювання амплітуди коливань 4 решітної частини 1. За очисники решіт використано гумові кульки.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10 Макетний зразок установки для калібрування: 1 - решітна частина; 2 - задні стояки; 3 - передні стояки; 4 - вал із механізмом регулювання амплітуди коливань; 5 - перетворювач частоти

Решітна частина встановлена на двох передніх 3 і двох задніх металевих стояках 2, які шарнірно з'єднані з рамою, причому на задніх металевих стояках виконано паз з мітками для регулювання кута нахилу решіт, а для регулювання частоти коливань використовується перетворювач частоти HITACHI Х200 5.

Для визначення впливу кінематичних параметрів і параметрів положення робочих органів на критерій оптимізації використано рототабельний план Боксу другого порядку. За вхідні фактори прийнято частоту (Х1) і амплітуду (Х2) коливань та кут нахилу решітної частини (Х3).

У п'ятому розділі «Результати експериментальних досліджень» наведено результати пошукових та експериментальних досліджень робочих органів установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур.

Для вивчення впливу форми і розмірів отворів решіт на коефіцієнт ефективності калібрування проведено пошукові дослідження на сортувальній машині СМ-0,15, яка дозволяла варіювати значеннями частоти коливань решітної частини. За робочий орган були відібрані решета з трьома формами отворів: круг, прямокутник і щілина. У результаті досліджень встановлено, що найбільш вирівняне за розмірами насіння для всіх культур отримано при калібруванні за шириною на решетах із круглими отворами. Тому прийнято проводити калібрування саме за цим параметром. При цьому діаметри отворів мають розміри в залежності від виду ПКК (табл. 3).

Таблиця 3 Розміри отворів решіт

Діаметр отворів, мм	Вишня	Черешня	Алича	Абрикос	Мигдаль
Верхнє решето	6,5	8,0	13,0	20,0	22,0
Нижнє решето	5,0	6,5	11,0	15,0	15,0

Встановлено, що процес калібрування всіх культур відбувається при частоті коливань решітної частини n = 400-480 кол/хв та амплітуді коливань A = 9 мм.

За результатами проведених експериментальних досліджень отримано регресійні рівняння, що адекватно описують процес калібрування:

- для вишні

Y = 20,13 + 4,7653·x1 + 13,631·x2 + 6,8943·x3 + 1,5471·x1·x3 + 1,935·x2·x3 + 3,65·+ 5,0631· + 0,6354·x1·x2; (18)

- для черешні

Y = 24,49 + 8,474·x1 + 14,823·x2 + 4,41·x3 + 3,169·x1·x3 + 2,758·x2·x3 + 3,815·+ 15,445· + 8,695·x1·x2; (19)

- для аличі

Y = 34,15 + 4,524·x1 + 7,004·x2 + 13,61·x3 +32,837· - 12,71· + 3,717· + 9,888·x1·x2 + 7,318·x1·x3; (20)

- для абрикоса

Y = 20,98 + 9,55·x1 + 3,546·x2 + 2,7·x3 - 2,001· + 1,04· + 9,917· + 2,913·x2·x3; (21)

- для мигдалю

Y = 28,25 + 16,72·x1 + 4,266·x2 - 1,88·x3 + 12,568· + 5,34· + 1,73· - 2,123·x1·x3 + 5,688·x2·x3. (22)

Аналізуючи поверхні відгуку, визначено оптимальні значення параметрів роботи установки при калібрування насіння плодових кісточкових культур, які забезпечують задану точність розділення (табл. 4).

Таблиця 4 Оптимальні параметри процесу калібрування насіння плодових кісточкових культур

Насіння Культур	Частота коливань, кол/хв	Амплітуда коливань, мм	Кут нахилу решіт, град
Черешня	420	5,0	7
Вишня	440	5,0	7
Алича	440	5,0	4
Абрикос	400	7,0	6
Мигдаль	400	6,0	7

Проведено аналіз рівнянь (18) - (22) та побудовано поверхні відгуку, визначено їх вид і зроблено аналіз за методом двомірних перерізів у залежності від факторів варіювання, фіксуючи кожен з них на визначеному рівні. Проведено оцінку процесу забивання отворів решіт кісточками і побудовано графіки залежності впливу параметрів роботи решітної частини на ефективність роботи кулькових очисників (рис. 11, 12), яку оцінено коефіцієнтом ефективності живого перерізу (КЕЖ) G, що визначається як відношення кількості вільних від застряглого насіння отворів до загальної кількості отворів решета.

Рис. 11 Залежність КЕЖ від амплітуди коливань

Рис. 12 Залежність КЕЖ від частоти коливань

Встановлено, що кут нахилу решіт має незначний вплив на забивання отворів, тому в дослідженнях не розглядається. Значний вплив на КЕЖ має частота коливань решітної частини: при її збільшенні спостерігається зменшення забитих отворів. У більшій мірі впливає на КЕЖ амплітуда коливань решітної частини: чим вона більша, тим менше застряглого насіння. Але якщо ці показники перевищують отримані оптимальні режими роботи установки, потрібна якість розділення не забезпечується. Це свідчить про те, що поєднання визначених теоретичним шляхом параметрів кулькових очисників з параметрами роботи установки (n, A, б), отриманими в результаті експериментальних досліджень, забезпечує ефективність та якість протікання процесу розділення партій насіння на фракції.

Проведено лабораторні випробування установки з метою підтвердження ефективності впливу визначених конструктивних і кінематичних параметрів роботи установки на якість розділення партій насіння всіх культур на три фракції. У результаті отримано фракційний склад насіння з відхиленням по масі до 6 % і визначено продуктивність роботи установки (табл. 5).

Таблиця 5 Фракційний склад насіння у відсотках маси та продуктивність роботи установки для калібрування

Насіння культур	Маса фракції, %	Критерій оптимізації, %	Продуктивність, кг/год
	крупної	середньої	дрібної
Черешня	14,1	84,8	2,0	2,4	55
Вишня	5,9	80,6	13,8	5,6	30
Алича	19,2	73,9	8,6	5,9	80
Абрикос	10,6	87,6	3,4	5,1	80
Мигдаль	17,4	80,8	1,3	5,6	105

Очисники, що використовуються в даній установці, показали ефективність їх застосування. За час калібрування партій насіння при отриманих оптимальних параметрах роботи установки отвори решіт практично не забивалися.

Шостий розділ «Техніко-економічна ефективність застосування установки для калібрування при технології вирощування саджанців без пересадки підщеп». Економічні показники роботи установки для калібрування визначено на підставі результатів лабораторних випробувань. Розрахунок економічної ефективності застосування розробленої установки для калібрування проводили порівнюючи загальновідому технологію вирощування саджанців ПКК із технологією без пересадки підщеп, яка передбачає наявність операції калібрування. Отримано такі показники: збільшення продуктивності праці складає 15%, зниження витрат праці на вирощування саджанців - 13,5%. При цьому собівартість вирощування саджанців плодових кісточкових культур знизиться на 19,7%. Строк окупності установки становить 0,23 року.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено наукову задачу визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів роботи установки для калібрування на якість розділення насіння плодових кісточкових культур на однорідні за розмірами фракції, що дозволило зробити такі висновки:

1. Встановлено, що насіння, яке підлягає калібруванню, доцільно розділяти на три фракції (крупну, середню і дрібну), при цьому коефіцієнт варіації V маси кісточок відповідно до кожної фракції насіння знаходиться у межах від 10% до 20%, що свідчить про середню мінливість цього параметра.

2. Встановлено, що найбільш тісний кореляційний зв'язок існує між шириною та масою кісточки: для всіх культур коефіцієнт кореляції r = 0,7; на підставі чого за параметр калібрування прийнято ширину кісточки, а для оцінки якості розділення використано масу фракції насіння.

3. Розроблено конструктивно-технологічну схему установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур, якою передбачено використання двох змінних решіт, що встановлені послідовно один під одним і здійснюють коливальний рух у горизонтальній площині, а для попередження забивання отворів решіт використано кулькові очисники ударної дії.

4. На підставі розробленої математичної моделі процесу оптимізації параметрів кулькових очисників решіт встановлено, що щільність розподілу енергії кульки істотно залежить від діаметра кульки D, відстані між прутками t та висоти підрешітного простору H. При співвідношеннях t = 0,4D і H = 1,5D та діаметрах кульки менших ніж 25 мм ймовірність того, що енергія кульки досягне критичного значення (Е = 2 мДж) практично дорівнює нулю. Це дало можливість визначити інтервали значень цих параметрів: діаметр кульки від 25 мм до 35 мм, висота підрешітного простору Н = (1,2-1,4)D, відстань між прутками t = (0,5-0,7)D та отримати такі їх оптимальні значення: D = 33 мм, H = 40 мм, t = 23 мм.

5. Встановлено, що розділення насіння на три фракції доцільно проводити на плоских решетах із круглими отворами, розміри яких становлять (верхнє решето dв, нижнє решето dн):

- для вишні: dв = 6,5 мм; dн = 5,0 мм;

- для черешні: dв = 8,0 мм; dн = 6,5 мм;

- для аличі: dв = 13,0 мм; dн = 11,0 мм;

- для абрикоса: dв = 20,0 мм; dн = 15,0 мм;

- для мигдалю: dв = 22,0 мм; dн = 15,0 мм.

6. Експериментально визначено значення конструктивно-технологічних параметрів (частота коливань n, амплітуда коливань А, кут нахилу решіт б) роботи установки для калібрування при розділенні на три фракції кісточок вишні, черешні, аличі, абрикоса і мигдалю, які забезпечують максимальну якість розділення:

- вишня: n = 440 кол/хв, А = 5,0 мм; б = 7 град;

- черешня: n = 420 кол/хв, А = 5,0 мм; б = 7 град;

- алича: n = 440 кол/хв, А = 5,0 мм; б = 4 град;

- абрикос: n = 400 кол/хв, А = 7,0 мм; б = 6 град;

- мигдаль: n = 400 кол/хв, А = 6,0 мм; б = 7 град.

7. Проведені виробничі випробування показали, що використання установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур дозволяє отримувати однорідні за розмірами фракції насіння з відхиленням по масі для всіх культур до 6%. При цьому продуктивність роботи установки становить 150 кг/год.

8. Застосування установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур дає можливість механізувати процес отримання однорідних за розмірами фракцій насіння і сприяє впровадженню у виробництво технології вирощування саджанців без пересадки підщеп. Це забезпечує зниження собівартості вирощування саджанців на 19,7 % та скорочення витрат праці на 13,5 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Бондаренко Л.Ю. Встановлення розмірно - масових параметрів посівного матеріалу плодових кісточкових культур / Л.Ю.Бондаренко, М.Я. Зайдлер // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2004. - Вип. 23. - С. 123-128.

2. Зайдлер М. Я. Визначення основних фізико - механічних властивостей посівного матеріалу кісточкових культур / М.Я. Зайдлер, Л.Ю.Бондаренко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2004. - Вип. 22. - С. 51-57.

3. Зайдлер М. Я. Фізико - механічні властивості насіння кісточкових культур / М.Я. Зайдлер, Л.Ю.Бондаренко // Садівництво. - 2005. - Вип. 57.- С. 529-533.

4. Бондаренко Л.Ю. Дослідження розмірно - масових параметрів посівного матеріалу плодових кісточкових культур / Л.Ю. Бондаренко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2006.- Вип. 35.- С. 111-117.

5. Бондаренко Л.Ю. Кореляційно-регресійний аналіз розмірно-масових параметрів насіння плодових кісточкових культур / Л.Ю. Бондаренко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2006.- Вип. 36. - С. 105-110.

6. Бондаренко Л.Ю. Аналіз конструкцій решіт для сортування різних матеріалів / Л.Ю. Бондаренко // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь, 2007. - Вип. 7, т.2. - С. 124-129.

7. Бондаренко Л.Ю. Дослідження форми і розмірів отворів решіт для калібрування посівного матеріалу плодових кісточкових культур / Л.Ю. Бондаренко, В.І.Цимбал // Механізація та електрифікація сільського господарства /ІМЕСГ. - Глеваха, 2008. - Вип. 92. - С. 176-180.

8. Бондаренко Л.Ю. Аналіз пристроїв для очищення плоских решіт сортувальних і калібрувальних машин / Л.Ю. Бондаренко, Г.В. Антонова // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь, 2008. - Вип. 8, т.3. - С. 159-164.

9. Бондаренко Л.Ю. Визначення оптимальних параметрів процесу калібрування насіння плодових кісточкових культур / Л.Ю. Бондаренко // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь, 2010. - Вип. 10, т.5. - С. 162-168.

10. Пат. № 48823 Україна, МПК7 В07В13/04, А01С1/00. Спосіб калібрування посівного матеріалу плодових кісточкових культур / Л.Ю. Бондаренко, О.Г. Караєв (Україна). - № u200908301; заявл. 06.08.2009; опубл. 12.04.2010, Бюл. № 7- 4с.

11. Пат. № 48097 Україна, МПК7 В07В13/04. Установка для калібрування посівного матеріалу плодових кісточкових культур / О.Г. Караєв, Л.Ю. Бондаренко (Україна). - № u200908583; заявл. 06.08.2009; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 5.- 6с.

Анотація

Бондаренко Л. Ю. Обґрунтування параметрів і режимів роботи установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Таврійський державний агротехнологічний університет. - Мелітополь, 2010.

Дисертація присвячена питанню підготовки посівного матеріалу плодових кісточкових культур шляхом розділення насіння на однорідні за розмірами фракції з відхиленням по масі до 10 % за рахунок калібрування його на решетах, що здійснюють коливальний рух в горизонтальній площині.

Визначено розмірно-масові параметри та фізико-механічні властивості насіння плодових кісточкових культур. Встановлено інтервали розділення та визначено, що калібрування насіння повинно відбуватися за шириною кісточки, а для оцінки якості розділення використовувати масу насіння.

Проведено теоретичне обґрунтування параметрів роботи кулькових очисників решіт. Розроблено математичну модель процесу оптимізації геометричних параметрів кулькових очисників та отримано оцінку кінетичної енергії кульки, якої достатньо для вибивання застряглого насіння з отвору (Е = 2 мДж).

На підставі проведених експериментальних досліджень визначено оптимальні значення параметрів і режимів роботи установки для калібрування. Розроблено макетний зразок установки та проведено виробничі випробування, на підставі яких встановлено, що застосування установки для калібрування насіння плодових кісточкових культур дає можливість механізувати процеси технології вирощування саджанців без пересадки підщеп, що забезпечить зниження собівартості вирощування саджанців на 19,7% та скорочення витрат праці на 13,5%.

Ключові слова: установка для калібрування, насіння плодових кісточкових культур, криві розподілу, якість розділення, однорідність фракцій, кулькові очисники решіт, моделювання процесу.

Аннотация

Бондаренко Л. Ю. Обоснование параметров и режимов работы установки для калибрования семян плодовых косточковых культур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Таврический государственный агротехнологический университет. - Мелитополь, 2010.

Диссертация посвящена вопросу подготовки посевного материала плодовых косточковых культур путем разделения семян на однородные по размерам фракции с отклонением по массе до 10 % за счет калибрования его на решетах, которые совершают колебательные движения в горизонтальной плоскости.

На основании проведенного анализа существующих способов и средств механизации для сортировки различных материалов установлено, что целесообразнее сортировать семена плодовых косточковых культур способом калибрования на плоских решетах, которые совершают колебательное движение с помощью эксцентрика. Для качественной очистки отверстий решет принято использовать шариковые очистители ударного действия, ввиду простоты конструкции и эксплуатации, при относительно небольшой стоимости.

Определены размерно-массовые параметры и физико-механические свойства семян плодовых косточковых культур. Построены гистограммы и кривые распределения размеров и массы косточек, которые позволили определить интервалы разделения. Принято, что разделение целесообразно проводить по ширине косточки, это позволит получить фракции, которые будут выровненными как по размерам, так и по массе, а для оценки качества разделении использовать массу семян.

Проведены теоретические исследования работы шариковых очистителей решет и разработана математическая модель процесса оптимизации их геометрических параметров. В результате чего получена оценка кинетической энергии шарика (Е = 2 мДж), которой достаточно, чтобы выбить застрявшие семена из отверстий. Установлено, что плотность распределения энергии шарика существенно зависит от диаметра шарика D, расстояния между прутками t и высоты подрешетного пространства H. Полученные оптимальные параметры шарикового очистителя обеспечивают минимизацию математического ожидания времени выбивания застрявших семян из отверстия решета. Разработано программное обеспечение с помощью программной оболочки Delphi 2009.

Разработана лабораторная установка для калибрования семян плодовых косточковых культур и проведены экспериментальные исследования по определению конструктивных и кинематических параметров работы установки при калибровании косточек вишни, черешни, абрикоса, миндаля и алычи.

Проведена оценка процесса забивания отверстий решет косточками, в результате чего установлено, что значительное влияние на забивание отверстий имеет частота и амплитуда колебаний. На основании проведенных исследований изготовлен макетный образец и проведены его испытания в Институте орошаемого садоводства им. М.Ф. Сидоренко УААН, которые подтвердили, что установка для калибрования позволяет обеспечить высокое качество разделения семян на фракции с отклонением по массе до 6 %.

Основные результаты работы приняты для внедрения в ГП ОХ «Мелитопольское» (г.Мелитополь Запорожской обл.) и использовались при применении технологии выращивания саженцев плодовых косточковых культур без пересадки подвоя. Это обеспечило снижение себестоимости выращивания саженцев на 19,7% и позволило сократить затраты труда на 13,5%.

Ключевые слова: установка для калибрования, семена плодовых косточковых культур, кривые распределения, качество разделения, однородность фракций, шариковые очистители решет, моделирование процесса.

Annotation

Bondarenko L. Yu. The validation of parameters and modes of work of arrangement for calibration of fruit-stone culture seeds. - Manuscript.

Thesis for getting the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on the specialіty 05.05.11 - machines and mechanization means of agricultural production. - Tavria State Agrotechnological University. - Melitopol, 2010.

The work is devoted to the problem of preparation of sowing material of fruit-stone cultures by dividing it into identical in size fractions with deviation of mass to 10% due to calibration on bolters which accomplish fluctuating motions in horizontal plane.

Mass-dimension parameters and physical-mechanical properties of fruit-stone culture seeds have been established. The intervals of division have been given. It has been determined that calibration of seeds must be made of stone width and for the estimation of division quality to use mass of seeds.

The theoretical parameters substantiation for work of ball-shaped purifiers of bolters has been conducted. The mathematical model for optimization process of geometrical parameters of ball-shaped purifiers has been developed and the estimation of kinetic energy of ball, which sufficient for beating out seized-up seed from hole (E = 2 mDg) has been got.

On the basis of conducted experimental researches optimum values of parameters and modes of operations of arrangement for calibration have been determined. The arrangement standard model has been developed. Production tests have been conducted. It has been established that application of arrangement for calibration of fruit-stone culture seeds enables to mechanize the processes of nursery seedling growing without transplantation of wilding technology. It will provide decreasing of prime cost of nursery transplants growing on 19,7% and labor expanses on 13,5%.

Key words: arrangement for calibration, fruit-stone culture seeds, the curves of distribution, division quality, identical fractions, ball-shaped purifiers of bolters, modeling of process.

Размещено на Allbest.ru

...