Размещено на http://www.allbest.ru/

Таврійська державна агротехнічна академія

УДК 631.358.02.001.5:634.72

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів системи пневмосепарації вороху в комбайнах для збирання смородини

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Молодик Микола Сергійович

Мелітополь - 2005

Дисертацією є рукопис пневмосепарація ворох агротехнічний

Робота виконана в Таврійській державній агротехнічній академії (ТДАТА), Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тарасенко Володимир Віталійович, професор кафедри сільськогосподарських машин, Таврійська державна агротехнічна академія

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Фришев Сергій Георгійович, професор кафедри експлуатації техніки та інженерного менеджменту, Національний аграрний університет

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Караєв Олександр Гнатович , завідувач відділом зрошення і механізації, Інститут зрошуваного садівництва , УААН

Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут механізації і електрифікації сільського господарства”, Українська академія аграрних наук, с.м.т. Глеваха, Васильківський район, Київська область

Захист відбудеться “18” лютого 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 Запорізька обл., м. Мелітополь, просп. Б.Хмельницького, 18, навчальний корпус 1, конференцзал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 Запорізька обл., м. Мелітополь, просп. Б.Хмельницького, 18.

Автореферат розісланий “6” січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 к.т.н., професор Діордієв В.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Структура харчування людини повинна бути різноманітною. Зокрема, у річному раціоні повинно бути близько 80 кг плодів і ягід. У даний час цей показник складає ледве більш 20 кг, що негативно позначається на стані здоров'я населення України, з огляду на постчорнобильський фактор.

Державною програмою розвитку садівництва, виноградарства, розсадництва і виробничої промисловості до 2005 року передбачено довести валове виробництво плодів і ягід до 4500 тис. тонн, з них ягід - 210 тис. тонн. Але і дотепер, в основному, ягоди збираються вручну. Витрати на збиранні смородини украй великі. Так, загальні витрати на обробіток 1 га смородини 1150 люд.-год., тоді як на збирання - 930 люд.-год., що складає близько 81%.

Державною програмою передбачене виготовлення на Євпаторійському ДЕЗі 20 штук у рік ягодозбиральних комбайнів МПЯ-1. Результати випробувань комбайнів цього типу показали, що по таких якісних показниках технологічного процесу як повнота знімання, ушкодження ягід та елементів рослин, кількість опалого листя - створена машина цілком задовольняє агротехнічним вимогам на комбайн для збирання смородини. Але такі показники як повнота уловлювання знятих ягід, втрати при сепарації - не задовольняють агровимогам, а такий показник як вміст домішок у товарній продукції лише в останні роки став відповідати нормі, що, однак, негативно позначилося на втратах ягід при сепарації.

Виходячи з вищевикладеного, дані дослідження спрямовані на обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів системи пневмосепарації, а також розробку нових схем сепарації, що поліпшують якісні показники роботи в комбайнах для збирання смородини - є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що склали основу дисертаційної роботи, виконувалися відповідно до тем: 07.101 “Пошук і дослідження нових робочих органів машин по догляду за ягідниками і розсадниками” (ВІСГОМ); 07.230 “Комбайн для збирання смородини МПЯ-1А” (ВІСГОМ); програмою № 0102U000676 “Розробка наукових основ технологічного і технічного забезпечення виробництва сільськогосподарських культур в умовах півдня України” (на 2001...2005р.), скоординованою із ННЦ Інститут механізації і електрифікації сільського господарства (смт. Глеваха), а також планом НДР ТДАТА.

Мета і задачі дослідження. Метою даних досліджень є підвищення якості роботи системи пневмосепарації в комбайнах для збирання смородини.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені наступні задачі досліджень:

- зробити огляд та систематизувати технологічні схеми роботи комбайнів для збирання смородини і систем сепарації ягідного вороху;

- визначити фракційний склад вороху, що надходить у камеру пневмосепарації і кількість втрат ділової частини вороху у процесі пневмосепарації;

- визначити фізико-механічні властивості та розмірно-масові характеристики фракцій вороху, що надходять у камеру пневмосепарації, та встановити між ними кореляційні залежності;

- теоретично й експериментально обґрунтувати процес попередньої пневмосепарації, до потрапляння вороху на транспортер-уловлювач, та процес попередньої підготовки вороху перед основною пнемосепарацією;

- з метою оптимізації процесу розробити експериментальну установку та визначити параметри системи пневмосепарації ягідного вороху при виконанні технологічного процесу в межах агротехнічних вимог;

- визначити траєкторії руху фракцій вороху в процесі пневмосепарації та обґрунтувати геометричні обводи камери пневмосепарації;

- провести польові випробування й виробничу перевірку роботи удосконаленої системи пневмосепарації;

- визначити тенденції подальшого розвитку і розробити перспективні схеми пневмосепарації ягідного вороху;

- зробити аналіз економічної ефективності удосконаленої системи пневмосепарації в комбайнах для збирання смородини.

Об'єкт дослідження - технологічний процес і технічні засоби пневмосепарації вороху в комбайнах для збирання смородини.

Предмет дослідження - конструктивно-технологічні параметри системи пневмосепарації в смородинозбиральних комбайнах; властивості фракцій ягідного вороху; залежність якісних показників роботи системи пневмосепарації від конструктивно-технологічних параметрів.

Методи дослідження. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів системи пневмосепарації в комбайнах для збирання смородини проводилося з використанням математичного моделювання та базувалось на положеннях теоретичної механіки, теорії ймовірностей і математичної статистики.

Експериментальні дослідження проводилися як по загальноприйнятим , так і по розробленим методикам і передбачали використання швидкісної кінозйомки, методів планування багатофакторного експерименту та газогідравлічної подібності, тощо.

Обробка вихідних даних здійснювалася на ПЕОМ з використанням теорії ймовірностей, регресійного та кореляційного аналізів.

Наукова новизна отриманих результатів у тім, що в роботі:

- вперше встановлено відсотковий склад кожної фракції вороху до здійснення процесу пневмосепарації і втрати ділової частини вороху у процесі пневмосепарації, а також отримано кореляційні залежності між розмірно-масовими характеристиками і швидкістю витання фракцій вороху, що надходять у камеру пневмосепарації;

- обґрунтовано нову трьохстадійну технологію сепарації вороху, яка складається з попередньої пневмосепарації, попередньої підготовки вороху до основної пневмосепарації та основної пневмосепарації;

- вперше обґрунтовано необхідність і визначена можливість попередньої пневмосепарації вороху до потрапляння його на транспортер-уловлювач, яка зменшує кількість неповоротних втрат ягід при знятті вороху з кущів;

- теоретично обґрунтовано математичні моделі попередньої підготовки вороху при великій подачі в камеру основної пневмосепарації, розшаруванням його за допомогою вібрації;

- вперше визначені математичні залежності виділення домішок і втрат ягід при пневмосепарації від швидкості повітряного потоку в камері сепарації, швидкості введення вороху в зону сепарації, кутів нахилу повітряного потоку і введення вороху в зону пневмосепарації, довжини зони сепарації й інших параметрів;

- вперше за теоретичними та експериментальними дослідженнями запропоновано алгоритм розрахунку раціональних геометричних параметрів камери пневмосепарації, який реалізовано у реальній конструкції.

Практичне значення отриманих результатів у тім, що на підставі теоретичних і експериментальних досліджень системи пневмосепарації в комбайнах МПЯ-1, МПЯ-1А, МПЯ-1Б, отриманих автором, у ДСКБ ВО “Плодсільгоспмаш” (м. Кишинів, Молдова) та ДНУ ВСТІСП (м. Москва, Росія) ці результати були використані при модернізації комбай нів та розробці нового комбайну КПЯ-1, що підтверджується відповідними актами.

Проведено порівняльні випробування серійного комбайна МПЯ-1 і комбайна МПЯ-1Б, на якому була встановлена, розроблена автором, модернізована система пневмосепарації, при збиранні сортів смородини “Голубка”, “Сіянець Голубки”, “Минай Шмирьов”, “Боскупський Велетень” у ягідничому господарстві “Мир” Велико-Новоселківського району Донецької області. Аналогічні випробування були проведені з МПЯ-1А та цим же комбайном з встановленою на ньому удосконаленою системою сепарації у ВАТ АФ “Червоний фронт” Михайлівського району Запорізькій області. Економічний ефект отримано за рахунок збільшення виділення домішок на 0,6...1,1% і зменшення втрат ягід на 2,6...3,7% , на що отримано відповідні акти.

Запропоновані нові конструкторсько-технологічні рішення, які поліпшують роботу системи сепарації в комбайні для збирання смородини: з попереднім видаленням великих домішок, з метою усунення забивання вентилятора; збереженню оптимального режиму процесу пневмосепарації при зміні швидкості руху комбайна під час збору смородини, що підтверджується авторськими посвідченнями на винахід №1246928, №1296037, №1667702.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що ним безпосередньо:

- систематизовано технологічні схеми машин і комбайнів для збирання смородини і системи сепарації ягідного вороху;

- визначено відсотковий склад кожної фракції вороху до здійснення процесу і втрати ділової частини вороху у процесі пневмосепарації;

- визначені розмірно-масові характеристики і фізико-механічні властивості фракцій вороху смородини і між ними встановлені кореляційні залежності;

- обґрунтована нова трьохстадійна технологія сепарації вороху, яка складається з попередньої пневмосепарації, попередньої підготовку вороху до основної пневмосепара-ції та основної пневмосепарації;

- визначені фактори, що впливають на технологічний процес, критерії оптимізації процесу і, на підставі цього, розроблена експериментальна установка для дослідження процесу пневмосепарації;

- розроблена програма і методика досліджень;

- проведені теоретичні й експериментальні дослідження з визначення оптимальних параметрів і режимів роботи системи пневмосепарації;

- підготовлено рекомендації, щодо використання отриманих результатів при удосконалюванні систем пневмосепарації;

- розроблено нові схеми, що поліпшують пневмосепарацію вороху, які можуть бути використані при подальшій модернізації комбайна.

Апробація результатів дисертації. Основні положення результатів дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних і практичних конференціях, семінарах і радах: ВІМа (Москва, Росія), ВІСГОМа (Москва, Росія), НДЗІСНП (Москва, Росія), ЦЧ МВС (сел. Комиші, Росія), ПФ ІМЕСГ (смт. Якимівка), ДСКБ ВО “Плодсільгоспмаш” (м. Кишинів, Молдова), УкрНДІЗС (м. Мелітополь), ТДАТА (м. Мелітополь).

Публікації. Основні положення і матеріали дисертації опубліковані в 14 роботах, з них: 9 статей, 2 тези доповідей, 3 авторські посвідчення на винаходи. Загальний обсяг публікацій складає 4,3 умовного друкованого аркуша.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури з 174 найменувань і 13 додатків. Загальний обсяг роботи 275 сторінок, на 149 з яких викладений текст роботи, на 57 додатки. Текст містить 34 таблиці і 92 рисунка.

Основний зміст

У першому розділі "Стан питання і задачі досліджень" розглянуто технологічний процес, конструкції машин і комбайнів для збирання смородини.

Питанню механізованого збирання смородини присвячені праці Варламова Г.П., Чарушникова В.А., Ульянова А.Ф., Протасова В.Т., Уткова Ю.А., Кривоносової А.Д., Трушина К.Д., Стрекача О.П., Комісарова П.М., Петренка А.Д., Фришева С.Г., Бичко-ва В.В., Цимбала А.А., Трушечкіна В.Г., Піленка П.І., Даскалова А., Бобевої М., Wil-son S., Wеssel І., Wоwzуnсгаk Р., Тubbs Е., Рограсzу А., Моггіs А., Lаrsеn Е., Yаnоs К., Егnа Н., Ноrvаth Е., Guntzel В., Gаthе R., Sсhmidt М., Вагthаld F., Тгіguсаt Е., Fuгtак І., Кmіес І., Сhарin І. та ін.

Зроблено огляд і класифікацію пневмосепаруючих систем смородинозбиральних комбайнів. Розробка схем сепарації ягідного вороху, визначення оптимальних параме-трів камери сепарації та режимів її роботи розглянута в працях Варламова Г.П., Ахме-рової Р.В., Даштояна А.А., Цицива М.В., Кротова А.М., Цимбала В.Д., Маркіна Ю.Л., Попова В.І., Вєтрова Є.Ф., Нелюбова А.І. та ін.

На підставі проведеного аналізу конструкцій машин і схем сепарації ягідного вороху встановлено, що найбільш раціональним місцем розташування основної системи пневмосепарації є місце сходу вороху з транспортера в накопичувальну ємність. Визначені недоліки у роботі систем сепарації та причини їх виникнення. Великі втрати ягід під час сепарації (до 9%), а в деяких випадках наявність домішків в очищеному вороху (до 9%) вище допустимої АТВ норми, вказує на недостатність вивчення процесу сепарації, як теоретично так і експериментально.

У заключній частині сформульована мета і поставлені задачі досліджень.

В другому розділі "Теоретичне дослідження процесу пневмосепарації на смородинозбиральному комбайні", з метою використання їх у подальшому, було уточнено коефіцієнти, які залежать від розмірно-масових показників фракції, і теоретично визначено швидкості витання фракцій вороху смородини: ягід (Я), молодих пагонів (МП), стебел бур'янів (СБ), сухих гілок (СГ) і листя (Л).

(1)

(2)

(3)

де U, d, m - відповідно: швидкість витання (м/с), діаметр (м), маса (кг) фракцій;

К - безрозмірний коефіцієнт, який залежить від розмірно-масових показників фракції, рівний КЯ=5,9...7,9; КСГ =2,4...2,6; КСБ =1,8...2,9; КМП =2,1...2,4; КЛ =50,0...69,0.

КСФ, КЦ, КПП - коефіцієнт опору фракції, м4/(с2·кг), яка має форму, відповідно, сфери (ягода), циліндра (суха гілка, стебло бур'яну, молодий пагін), тонкої прямокутної пластини (лист), рівний КСФ=0,47; КЦ=1,2; КПП=0,1.

d У - умовний діаметр, м, який визначається за формулою:

(4)

?СР(СГ, СБ, МП), dСР(СГ, СБ, МП) - відповідно: середня довжина (м) і діаметр (м);

S - площа поверхні, м2.

Збільшення кількості і якості продукції під час виконання технологічного процесу за рахунок поліпшення процесу пневмосепарації можна представити у вигляді схеми трьохстадійної технології.

Для реалізації процесу попередньої пневмосепарації вороху розрахована швидкість переміщення ягоди для подолання зазору між основою куща та транспортером:

, (5)

де uЯ - швидкість переміщення ягоди від дії сили ваги, м/с, яка визначається за формулою

;

В - відстань між транспортерами, м;

bП - ширина повітроводу, м;

hВ - висота розташування верхньої кромки повітрярозподілювача, м;

hH - висота розташування нижньої кромки повітрярозподілювача, м;

Н1 - висота знаходження ягоди, м;

g - прискорення вільного падіння, м/с2.

Швидкість переміщення ягід повинна знаходитися у межах, які відповідають наступній залежності:

UЯ > uґЯ > UЛ , (6)

де UЯ , UЛ - відповідно швидкість витання ягід та листя, м/с.

При умові виконання цієї залежності, частина листя виноситься повітряним потоком у міжряддя, чим полегшує роботу основної системи пневмосепарації, тому що зменшується кількість домішків у вороху, який попадає на транспортер-уловлювач.

Одночасно з цим зменшуються неповоротні втрати ягід, які цим же повітряним потоком виносяться на стрічку транспортера-уловлювача, а не падають на грунт у проміжок між транспортерами.

Нижня частина N поверхні кожуха, з метою зниження пошкодження гілок, у перерізі має форму кривої, описуваної рівнянням:

(7)

де Х - горизонтальне лінійне переміщення довільної точки А гілки, м;

Т - зосереджене навантаження, Н;

НВ - висота гілки, м;

Н1В - висота точки А1 над ґрунтом, м;

Е - модуль подовжньої пружності для деревини, МПа;

І - момент інерції поперечного перерізу гілки (Б-Б), м4.

Верхня поверхня W формувача, з метою зниження пошкодження гілок, у перерізі також має форму кривої, описуваної рівнянням:

, (8)

Кут нахилу гілок у бік руху комбайна непостійний. Він залежить від середніх параметрів: висоти смуги (НК), ширини смуги (LК) і діаметра основи (DК) кущів.

Бічні стінки напрямних установлюються таким чином, щоб направити повітряний потік уздовж гілок, що нахилені убік міжрядь і проти руху комбайна.

Проекції кутів нахилу повітряного потоку на горизонтальну (П1), поперечну (П2) і подовжню (П3) площини щодо руху машини визначаються таким чином і мають значення при середніх параметрах (НК, DК, LК) куща: проекція кута на площину П1, в = arcsin h1/?1, де h1 = (0,74...0,75) НК, м; ?1= (0,80...0,81) НК, м; проекція кута на площину П2, б = arcsin h2/?2, де h2 = (0,61...0,62) НК, м; ?2 - (0,91...0,92) НК, м; проекція кута на площину П3, г = arcsin h3/?3, де h3 = (0,76...0,77) НК, м; ?3 = (0,91...0,92) НК, м.

Положення напрямних регулюють за допомогою штурвала 6, який переміщує їх до прийняття повітряним потоком потрібного напрямку.

Нові високоврожайні сорти смородини, при знятті ягід з кущів утворюють на стрічці транспортера-уловлювача багатошаровий ворох, що складається з ягід, грон, листів, молодих пагонів, сухих гілочок, шкідників, бур'янів і їхнього насіння, розташованих у різних шарах.

При сході вороху зі стрічки транспортера в камеру пневмосепарації, через багатошаровість, частина ягід знаходиться на поверхні листя і в процесі сепарації повітряним потоком видаляється разом з листям і іншими домішками, що збільшує неповернуті втрати і погіршує якісні показники роботи системи.

Для зниження втрат ягід у процесі пневмосепарації необхідне переміщення листя у верхній шар, до сходу вороху з транспортера. Таке переміщення листя можливо під дією на нього зовнішніх сил, наприклад сил вібрації.

Розглянемо модель руху листа у вібруючому за законом о(t) пружному пластичному середовищу. Знаходячись у шарі, лист захоплюється середовищем, і на нього діють сили у момент відносного безвідривного руху: G = m·g - сила ваги, Н; m - маса самого листя, кг; N - нормальна реакція, Н; J - сила інерції переносного руху, Н; F - сила тертя, Н; Р - сила, діюча з боку вороху масою m1 розташованого над листом, Н; бЛ - кут положення листа відносно стрічки транспортера, град; бЛ1 - кут положення вороху, розташованого над листом, град; вJ - кут вібрації, град. Приймемо наступні системи координат: Х1О1Y1- нерухома система координат; ХОY - рухома система координат нерозривно зв'язана з поверхнею опори листа.

Рівняння відносного руху листа в проекціях на осі рухомої системи координат запишуться:

Тому що кут бЛ положення листа смородини в вороху - величина випадкова і лежить у діапазоні від 0 до р, то на листи симетрично розташовані стосовно вертикальної осі (бЛ = бЛ1, бЛ = р - бЛ1) сила інерції переносного руху J, що діє під кутом вJ - може робити як спливаючий, так і заглубляючий вплив. Для однозначного ефекту напрямок вібрації повинен бути вертикальним: вj = р/2.

У нерухомій системі координат Х1О1Y1 рівняння руху верхнього шару вороху має вигляд:

де Ду - величина пружної деформації верхнього шару, м, яка дорівнює:

(11)

- знак напрямку швидкості відносного переміщення;

cd - коефіцієнт жорсткості пружної деформації шару, Н/м;

f - коефіцієнт тертя ягоди по поверхні листа;

А - амплітуда коливань, м;

щ - частота коливань, с-1;

t - час, с.

Середня швидкість вібраційного переміщення листа визначається:

, (12)

де SТ - переміщення листа в одному з напрямків осі Х

за один період коливань (Т=2р/щ), м.

Тоді швидкість спливання листа визначається, як:

. (13)

Система рівнянь, що визначає швидкість спливання листа в вороху під дією вібрації при безвідривному русі, має вигляд:

де

ц - кут тертя ковзання, град;

е - фазовий кут, який відповідає зупинці листа після відповідного

переміщення відносно вісі Ч, град;

м - кут зрушення фаз між верхнім та нижнім шарами, град;

WП - параметр перевантаження, який визначає режим руху листа

без відриву від поверхні.

У результаті рішення системи (14) отримані рівняння, що дозволяють визначити швидкість спливання листа в вороху (VВС) і переміщення листа (SТ) у шарі вороху за один період коливань (Т). Знаючи середню висоту шару вороху на транспортері, можна визначити час спливання tвс .

Час спливання повинний бути меншим або дорівнює часу перебування листа на горизонтальній ділянці транспортера Довжина горизонтальної ділянки транспортера повинна бути:

LТР = VТР · tГ, (16)

де LТР - довжина горизонтальної ділянки транспортера, м;

VТР - швидкість руху транспортера, м/с.

Для теоретичної оцінки ефекту попереднього розшарування вороху смородини приймемо наступні допущення:

1. Вважаємо, що втрати ягід смородини в камері пневмосепарації відбуваються тільки за рахунок перебування їх на поверхні листа.

2. Величина втрат у камері сепарації пропорційна масі ягід, які знаходяться над листям, що у свою чергу пропорційна висоті шару над листям.

3.Тому що спливання листа смородини в вороху при попереднім розшаруванні зменшує шар ягід, які знаходяться на листі, то зменшення втрат ягід у камері сепарації прямо пропорційно зменшенню цього шару.

Тоді абсолютна величина зменшення втрат:

де ДРЯ - абсолютна величина зменшення втрат, %;

РЯ - вихідна величина втрат, %;

hC1- середня висота шару ягід над листом, м.

Велике значення для якісного процесу сепарації має компонування системи, що також є важливим і для компонування всього комбайна в цілому.

Компонування системи сепарації проводиться з урахуванням розмірних параметрів, місця положення вузлів, а також від переміщення вороху.

Швидкісні параметри транспортера і вентилятора, їх розташування відносно один до одного, визначають траєкторії руху фракцій вороху після сходу з транспортера в накопичувальну ємність. Визначення траєкторій руху фракцій вороху дозволить визначити положення насадка вентилятора, його початкову форму, а також положення накопичувальної ємності і, у цілому, обводи камери пневмосепарації.

При визначенні траєкторій руху фракцій вороху, і вороху в цілому, виникають складності, що не піддаються обліку через нерівномірний вплив повітряного потоку, створеного вентилятором, на ворох, хаотичного розташування і руху фракцій вороху, мінливість складу і кількості вороху, що надходить у камеру сепарації і так далі.

3 огляду на складність поставленої задачі, поставлено обмежувальні умови:

1. Визначаємо траєкторії руху кожної фракції вороху окремо, без врахування їхньої взаємодії.

2. Вплив повітряного потоку на фракції вороху по всій траєкторії руху постійний.

У даній роботі траєкторії руху фракцій вороху визначені за методикою, запропонованої Г.Д. Терсковим, уточненої А.І. Нелюбовим, Є.Ф. Вєтровим і автором даної роботи.

Фракція вороху з масою m і початковою швидкістю Vтр, заданої рухом транспортера, що розташований під кутом б до обрію, вводиться в повітряний потік, створений вентилятором (рис.5). Повітряний потік має швидкість Uвп і спрямовано під кутом в. На фракцію ягідного вороху діє сила ваги mg і сила лобового опору R.

Величина відносної швидкості V0 фракції вороху при вході в повітряний потік визначається по теоремі косинусів як діагональ паралелограма зі сторонами Uвп і Vтр:

. (18)

Кут ф знаходиться з трикутника ОАВ ,ф = р - в+б тоді вираження (18) прийме вид:

(19)

Напрямок щодо обрію швидкості Vо визначено по формулі: ,

де , тоді

. (20)

Кожну точку траєкторії розраховуємо наближеним способом, приймаючи збільшення кута ДЩ рівним 1є,

Координати першої розрахункової точки перебування фракції вороху визначаємо по формулах:

(21)

(22)

де t - сумарний час від початку введення фракції у повітряний потік;

хV, yV - переміщення фракції у відносних координатах.

Потім, аналогічно розраховуємо координати наступних точок. Отримані точки визначають розрахункові траєкторії руху фракцій вороху при пневмосепарації.

У третьому розділі "Експериментальні дослідження фізико - механічних властивостей, розмірно - масових характеристик фракцій і процесу пневмосепарації ягідного вороху" було визначено фракційний склад до сепарації та ті властивості і характеристики фракцій вороху, що мають найбільше значення при здійсненні процесу сепарації: розміри, маса, коефіцієнти тертя (ковзання і кочення), швидкості витання. Викладена методика, приведене обладнання для проведення експериментальних досліджень.

Гістограма наочно показує, що при швидкості до 10 м/с у камері сепарації повітряний потік може виділити з вороху , якщо не враховувати концентрації аеросуміші, наступні фракції: листя - діапазон швидкостей витання 5,2...7,6 м/с; сухі гілочки - 4,6...6,8 м/с; молоді пагони 6,7...9,2 м/с; бур'яни і їх насіння - 2,6...8,6 м/с, тобто, практично, усі домішки (24,59%) крім гребінок до яких кріпляться ягоди грона.

При проведенні експерименту по сепарації вороху, з огляду на отримані результати, можна орієнтуватися по максимальних швидкостях витання домішок, визначаючи нижній рівень швидкості повітряного потоку.

Для з'ясування взаємозв'язку фізико-механічних властивостей і розмірно-масових характеристик фракцій вороху смородини була зроблена статистична обробка даних, отриманих у результаті експерименту, для чого був виконаний кореляційно-регресій-ний аналіз. Отримані коефіцієнти кореляційного відношення (0,94...0,96) у результаті аналізу, говорять про те, що кореляційні зв'язки між показниками фізико-механічних властивостей і розмірно-масових характеристик можна охарактеризувати як сильні з 95% довірчою імовірністю, а регресійні моделі - використовувати у теоретичних і експериментальних дослідженнях.

За критерії оптимізації процесу пневмосепарації вибрано якісний показник, який характеризує відсоток виділення домішків:

, (23)

і кількісний, який визначає відсоток втрат ягід при сепарації:

, (24)

де П, Я - відповідно маса домішків і ягід, кг;

ДП - маса домішків в очищеному вороху, кг;

ДЯ - втрати ягід при сепарації, кг.

Показники л і и аналітично незалежні і достатньо реагують на зміну рівня факторів вхідних перемінних, що дозволяє з їх допомогою математично описати процес.

Для визначення оптимальних параметрів технологічного процесу та системи сепарації вороху була розроблена установка ЕУС-1 (рис.7), в конструкцію якої були закладені пристрої, спроможні незалежно один від одного регулювати рівні варіювання факторів, отриманих в результаті статистичного аналізу.

Апріорне ранжирування дозволило виключити і зафіксувати на наступних рівнях фактори: вихідна засміченість вороху (с) - 20%; висота скребка (h) - 0,035 м; кількість лопаток вентилятора (Z) - 6 штук; конструктивний параметр (b) - 0,035м.

Відсівний експеримент виділив чотири найбільш важливі фактори (Uвп, Vтр, в, а), дозволив відкоригувати рівні варіювання, а також зафіксувати слідуючи фактори: б=45°; ?=0,35м; tр=0,152 м; q=0,6 кг/с.

Пошук оптимальних параметрів був продовжений за допомогою проведення повного факторного експерименту, для чого була реалізована матриця ПФЕ типу 24, по якій було проведено 16 дослідів із триразовою повторністю. Фактори варіювали на двох рівнях (табл.1):

Таблиця 1 Фактори і рівні їх варіювання

Позначення факторів	Фактори	Рівні варіювання факторів
		-1	0	+1
Х1	Швидкість повітряного потоку (UВП), м/с	14,0	16,0	18,0
Х2	Швидкість транспортера (VТР), м/с	0,3	0,4	0,5
Х4	Кут нахилу повітряного потоку (в), град	30,0	45,0	60,0
Х8	Геометричний параметр (б), м	0,1	0,15	0,2

За результатами експерименту одержані рівняння регресії:

у1 (л) = 94,79+2,389 х1+1,188 х2+0,276 х4-0,441 х8; (25)

у2 () = 1,118+0,625 х1+0,628 х2+0,077 х4-0,078 х8+0,330 х1 х2+0,046 х1 х4+0,217 х2 х4-0,146 х2 х8-0,047 х8 х4+0,201 х1 х2 х4-0,0110 х1 х2 х8. (26)

Як видно за рівняннями регресій, максимальне виділення домішок (лmax= 99,01%) буде в тому випадку, коли фактори х1, х2 і х4 будуть знаходитися на верхньому рівні (+1), а фактор х8 - на нижньому рівні (-1), але в цьому випадку і втрати ягід будуть максимальними (max=3,63%).

Дослідження отриманих рівнянь регресії, з метою оптимізації параметрів і режимів проводили, використовуючи метод двовимірних перетинів поверхні відгуку.

Показники критеріїв оптимізації л = 99,0...99,34%, = 3,0...2,69%, отримані при фіксації фактора x1(Uвп) на верхньому рівні +1(18 м/с), фактора x4(в) на рівні +0,8(57°), а фактори x2(Vтр) і x8(а) мали наступні значення: Vтр=0,44...0,48 м/с; a=0,10…0,14м.

Оптимальні значення критеріїв оптимізації на рисунку двовимірного перетину (рис.8) зображені лініями більшої товщини з оцінками 99,0 (л, %) і 3,0(и,%).А оптимальна на область розташована від точки перетинання вліво між цими лініями.

Проведення ПФЕ дало можливість уточнити параметри 4-х факторів, що залишилися, і домогтися виконання технологічного процесу у межах агротехнічних вимог.

Експериментальна перевірка результатів теоретичних досліджень процесу розшарування вороху була проведена на установці ЕУС-1.

Частоту змінювали в межах від 16 до 52 с-1 із кроком 4 с-1. Амплітуду змінювали в межах від 0,001 до 0,003 м із кроком 0,0005 м. Відношення (Е = m1 / m) маси вороху над листом (m1) до маси самого листа (m) брали в межах від 10 до 50.

Результати експерименту підтвердили теоретичні дослідження і показали, що зі збільшенням шару вороху на транспортерній стрічці відбувається велике зрушення фаз (м) між нижнім і верхнім шаром при вібрації стрічки і, як результат, можлива велика швидкість переміщення листа в шарі вороху.

При А = 0,0025 м і щ = 44 с-1 можливий рух з будь-якої глибини вороху.

Середня швидкість спливання листя VВС = 1,84 мм/с при наявності двох шарів ягід над листом дозволяє за час (tГ) перебування листа на горизонтальній ділянці (LГ) переміститися листові на величину, приблизно, одного шару і зменшити кількість ягід на листі на 50%. Для листя, розташованого на глибині одного шару - на 75%.

У четвертому розділі "Визначення оптимальної форми камери пневмосепарації. Перспективні схеми сепарації ягідного вороху" для порівняння отриманих шляхом розрахунку (р) траєкторій руху фракцій ягідного вороху з експериментальними (е) було зроблено кінозйомку процесу сепарації (рис.10). Після дешифрування й апроксимації отримані рівняння кривих, які відповідають рівнянням параболи:

р (1) - у = 5,31 + 1,6 х - 3,98 · 10-3 х2; (27)

е (2) - у = 12,22 + 1,01 х - 7,51 · 10-3 х2. (28)

Враховуючи поставлені граничні умови при визначені траєкторії розрахунковим шляхом, можна зробити висновок про їх задовільний збіг.

- з автоматичним гідрорегулятором (а.п.№ 1246928);

- з попереднім виділенням великих домішків (а.п.№ 1296037, № 1667702).

У п'ятому розділі "Результати і впровадження експериментальних досліджень. Аналіз економічної ефективності удосконаленої системи пневмосепарації" приведені результати пошуку системи і схеми пневмосепарації, результати теоретичних і експериментальних досліджень, а також стадії формування раціональної форми камери пневмосепарації.

Надані рекомендації по оптимізації конструкції і роботі системи пневмосепарації.

Результати досліджень впроваджені в ДСКБ "Плодсільгоспмаш" (м. Кишинів, Молдова), ДНУ ВСТІСП (м. Москва, Росія), ягідничому господарстві "Мир" (Велико-Новоселківський район, Донецька область), ВАТ АФ “Червоний фронт” (Михайлівський район, Запорізька область), на що було отримано акти.

Аналіз техніко-економічної ефективності досліджень удосконаленої системи пневмосепарації в модернізованому комбайні у порівнянні з базовою машиною показує, що продуктивність за 1 годину змінного часу зростає на 0,028 т/год; знижуються прямі витрати на 9 грн/т; за рахунок кількісної зміни продукції зростає продуктивність на 4,49%; річний економічний ефект складає 15175,95 грн.

Загальні висновки

За результатами досліджень виконаної роботи, яку присвячено обґрунтуванню конструктивно-технологічних параметрів в системі пневмосепарації вороху в комбайнах для збирання смородини, зроблено такі висновки:

1. У результаті аналізу літературних джерел встановлено, що існуючі комбайни для збирання смородини не задовольняють агротехнічним вимогам з показників: втрати ягід при сепарації, кількість домішок у вороху після сепарації.

2. На підставі досліджень визначено, що ворох, знятий з куща смородини, при впливі на нього активатором комбайна, складається з наступних фракцій: ягоди і грона - 80,0...86,0%, листя - 3,0...10,0%, бур'яни і їх насіння - 2,4...1,2%, сухі гілочки - 3,0...2,1%, молоді пагони - 1,4...0,6% і шкідників. Утрати ягід і грон у процесі пневмосепарації складають 5,0...9,0%.

3. Обґрунтована нова трьохстадійна технологія сепарації вороху, яка складається з попередньої пневмосепарації, попередньої підготовки вороху до основної пневмосепарації та основної пневмосепарації.

4. На підставі досліджень розмірно-масових характеристик уточнено рівняння для визначення швидкості витання фракцій з врахуванням постійної зміни площі миделевого перетину їх у повітряному потоці. Отримано коефіцієнти кореляційного співвідношення (0,94...0,96) між швидкістю витання і розмірно-масовими характеристиками фракцій вороху, показують, що зв'язки між ними можна вважати як сильні з 95% довірчою імовірністю, а регресійні моделі - використовувати в теоретичних і експериментальних дослідженнях.

5. За результатами аналізу досліджень з визначення критеріїв оптимізації сепарації встановлено, що якість виконання процесу повинна визначатись з урахуванням як від виділення домішок л=(1-ДП/П)·100?99%, так і втрат ягід и=(ДЯ/Я)·100?3%.

6. На підставі апріорного аналізу зафіксовано на наступних рівнях фактори: вихідна засміченість вороху (с) - 20%; висота скребка (h) - 0,035 м; кількість лопаток вентилятора (z) - 6 штук; конструктивний параметр (b) - 0,035 м. Відсівний експеримент зафіксував фактори: кут нахилу транспортера (б) - 45°; довжина ділянки сепарації (?) - 0,35м; відстань між скребками транспортера (tс) - 0,152 м; подача вороху (q) - 0,6 кг/с і уточнив рівні факторів х1 (Uвп) - 8...14 м/с, х2 (Vтр) - 0,3...0,5 м/с, x4 (в) - 60...30°, x8 (а) - 0,2...0,3 м.

Вперше визначені математичні залежності виділення домішок і втрати ягід при пневмосепарації від швидкості повітряного потоку в камері сепарації, швидкості введення вороху в зону сепарації, кутів нахилу повітряного потоку і введення вороху в зону пневмосепарації й інших параметрів. Показники критеріїв оптимізації л=99,0...99,34%; и=3,0...2,69% отримано при фіксації факторів Uвп = 18 м/с, в = 57°, з знаходженням у наступних межах факторів Vтр=0,44...0,48 м/с; a=0,10…0,14 м.

7. У результаті теоретичних досліджень отримані рівняння: швидкості повітряного потоку для умови потрапляння ягід, знятих активатором, на транспортер-уловлювач і видалення частини листя у міжряддя; для розрахунку нижньої частини поверхні кожуха дільника, верхньої частини формувача і установки напрямних повітряного потоку в пристрої для попередньої сепарації.

8. Одержана математична модель процесу для визначення швидкості спливання листів у вороху під дією вібрації. Результати експерименту по розшаруванню вороху підтвердили теоретичні передумови дослідження і показали, що при амплітуді А = 0,0025 м і частоті щ = 44 с-1 можливий рух з будь-якої глибини вороху. Середня швидкість спливання листя Vвс = 1,84 мм/с при наявності двох шарів ягід над листом дозволяє зменшити кількість ягід на листі на 50%, для листя, розташованого на глибині одного шару - на 75%, а загальне зменшення складе 37,5%, що приведе до скорочення втрат ягід при пневмосепарації.

9. За рівняннями руху фракцій вороху смородини побудовано траєкторії їхнього переміщення в камері сепарації, а дешифровка кінозйомки процесу дозволила визначити переміщення та уточнити геометричні параметри (? = 380 мм), встановлювальні розміри (а = 100 мм, b = 90 мм) і скорегувати обводи камери (рівняння нижнього обводу насадка у = -44.89 + 1.05 х - 3.62 · 10-3 х2).

Дослідження динаміки потоків методом газогідравлічної подібності у камерах пневмосепарації на комбайнах МПЯ-1, КПС-3 і експериментальній установці ЕУС-1, підтвердили, що обводи камери ЕУС-1 мають раціональну форму - усунуто: роздвоювання потоку при обтіканні накопичувальної ємності, відриви потоку, утворення "мертвих" зон.

Обґрунтовано нові конструкторсько-технологічні рішення, що поліпшують роботу системи сепарації, які підтверджено а.п. №1246928, №1296037, №1667702.

10. При роботі комбайнів з модернізованою системою пневмосепарації у виробничих умовах були отримані наступні результати: збільшено виділення домішок на 0,6...1,1%, зменшено втрати ягід на 2,6...3,7% у порівнянні з базовою машиною.

Аналіз техніко-економічної ефективності системи пневмосепарації в модернізованому комбайні показав, що продуктивність за годину змінного часу збільшується на 0,028 т/год, річний економічний ефект складе 15175,95 грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.Молодык Н.С. Исследование схем сепарации вороха на ягодоуборочных комбайнах // Исследование рабочих органов машин для возделывания и уборки плодово-ягодных культур и винограда: Сб. науч. тр. / ВИСХОМ. - М., 1987. -С.55-61.

2. Молодык Н.С. Модернизация комбайна для уборки черной смородины с целью уменьшения потерь ягод. // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов сельскохозяйственных машин: Сб. науч. тр. / УСХА. -К., 1989.-С.32-38.

3. Молодык Н.С. Тенденции развития конструкций машин для уборки черной смородины. Сб. тр. ТГАТА, Мелитополь, 1996. -С.73-75.

4. Молодык Н.С. Модернизация системы сепарации на комбайне для уборки черной смородины. Труды ТГАТА, том 1. Мелитополь, 1997. -С.82-85.

5. Молодик М.С. Визначення критеріїв оптимізації пневмосепарації ягідного вороху. // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія, - Вип.2, т.18. - Мелітополь: ТДАТА, 2001. -С.140-144.

6. Молодик М.С. Визначення траєкторії руху фракцій ягідного вороху при пневмосепарації. // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія, Вип.10. т.18. -Мелітополь: ТДАТА, 2003. -С.117-122.

7. Молодик М.С. Визначення деяких фізико-механічних властивостей і розмірно-масових характеристик фракцій вороху смородини //Праці/ Таврійська державна агротехнічна академія,-Вип.14-Мелітополь: ТДАТА, 2003. -С.162-169.

8. Молодик М.С. Визначення залежностей фізико-механічних властивостей і роз-мірно-масових характеристик фракцій вороху смородини //Праці/ Таврійська державна агротехнічна академія, -Вип.17 -Мелітополь: ТДАТА, 2004. -С.101-113.

9. Тарасенко В.В., Молодик М.С. Удосконалення компановки та форми обводів камери пневмосепарації вороху у комбайнах для збирання смородини. //Праці/ Таврійська державна агротехнічна академія, -Вип.22 -Мелітополь: ТДАТА, 2004. -С.136-147. (Особистий внесок здобувача - підготовка, проведення експерименту та зняття кінограми процесу сепарації вороху смородини).

10. А.С. 1246928 СССР, МКИ3 А 01 О 46/00. Ягодоуборочная машина / Н.С. Молодык. - Опубл. 1986, Бюл. №28.

11. А.С. 1296037 СССР, МКИ3 А 01 В 46/00. Устройство для очистки ягод от примесей / Н.С. Молодык. - Опубл. 1987, Бюл. №10.

12. А.С. 1667702 СССР, МКИ3 А 01 В 46/00. Устройство для очистки ягод от примесей / Н.С. Молодык. - Опубл. 1991, Бюл. №29.

13. Молодык Н.С. Разработка новых схем сепарации вороха в ягодоуборочных комбайнах //Труди Всесоюз. конф. "Современные проблемы земледельческой механики". - М., 1989. - С.84 - 85.

14. Молодык Н. С. Разработка системы сепарации вороха с предварительным выделением крупных примесей для ягодоуборочных комбайнов //Труды международной НТК "Энергосберегающие технологии и энергетические средства в сельскохозяйственном производстве". Акимовка, 1995. - С.41 - 42.

Анотація

Молодик М.С. Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів системи пневмосепарації вороху в комбайнах для збирання смородини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 2004.

Дисертаційна робота присвячена питанням визначення раціональних параметрів технологічного процесу та системи пневмосепарації вороху в комбайнах для збирання смородини.

Наведені результати теоретичних досліджень: попередньої сепарації вороху; попередньої підготовки вороху перед основною пневмосепарацією; визначення траєкторій руху фракцій в процесі пневмосепарації. Визначені раціональні параметри технологічного процесу та системи сепарації вороху в комбайнах для збирання смородини.

Приведені результати експериментальних і порівняльних досліджень технологічного процесу та системи сепарації вороху серійного і модернізованого комбайна.

Економічними розрахунками доведена доцільність модернізації системи сепарації вороху в комбайнах для збирання смородини.

Ключові слова: пневмосепарація, ворох, фракція, швидкість витання, домішки, компановка, критерії, пагін, гілка, траєкторія, гідролоток, вібрація, розшарування.

Аннотация

Молодык Н.С. Обоснование конструктивно-технологических параметров системы пневмосепарации вороха в комбайнах для уборки чёрной смородины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Таврическая государственная агротехническая академия, Мелитополь, 2004.

Диссертационная работа посвящена вопросам определения рациональных параметров технологического процесса и системы пневмосепарации вороха в комбайнах для уборки чёрной смородины.

В диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

Проведен анализ конструкций машин и комбайнов, а также систем сепарации ягодного вороха. Приведены недостатки в работе систем и причины их возникновения.

Определен процентный состав фракций в ворохе до совершения процесса пневмосепарации и потери деловой части вороха в процессе пневмосепарации.

Определены размерно-массовые характеристики и физико-механические свойства фракций вороха, между которыми установлены корреляционные зависимости.

Представлены результаты теоретических исследований процесса предварительной сепарации вороха, предварительной подготовки вороха перед основной пневмосепарацией. Дана теоретическая оценка эффекта предварительной подготовки вороха. Определены критерии оптимизации процесса пневмосепарации.

Разработана экспериментальная установка для исследования процесса пневмосепарации. Впервые определены математические зависимости выделения примесей и потери ягод при пневмосепарации от скорости воздушного потока в камере пневмосепарации, скорости ввода вороха в зону сепарации, угла наклона воздушного потока и угла ввода вороха в зону пневмосепарации, длину зоны сепарации и других параметров.

Выполнена экспериментальная проверка теоретических исследований расслоения вороха при подготовке его к пневмосепарации, получены параметры выполнения технологического процесса. Для проведения сравнительного анализа траекторий движения фракций при пневмосепарации, выполнена киносъемка процесса. При исследовании аэродинамики потока был использован гидролоток с эжекторным побуждением, что позволило сделать сравнительную оценку камер пневмосепарации комбайнов МПЯ-1, КПС-3 и установки ЭУС-1, определить рациональную форму и обводы камеры.

Для улучшения процесса пневмосепарации, в связи с тенденцией повышения урожайности черной смородины, уменьшением периода сбора урожая, увеличением рабочей скорости комбайна при уборке разработаны перспективные схемы сепарации.

Экономическими расчетами доказана эффективность использования усовершенствованной системы сепарации по сравнению с базовой машиной, которая на данный период используется при уборке урожая.

Ключевые слова: пневмосепарация, ворох, фракция, скорость витания, примеси, компоновка, критерии, побег, ветка, траектория, гидролоток, вибрация, расслоение.

Annotation

Molodyk M.S. Substantiation of Constructive-Technological Parameters of the Heap Pneumoseparation System in Combine-Harvesters of Black Currant-Manuscript.

Theses being submitted for the scientific degree of Candidate of Technikal Sciences on speciality 05.05.11 - machines and means of mechanization for agricultural production. - Tavria state agrotechnikal academy, Melitopol, 2004.

The dissertation work is devoted to the questions of rational parameters defining of the heap pneumoseparation system in combine-harvesters of black currant.

The theoretical explorations results are given. These explorations are preliminary heap separation before it coming on the conveyer-catcher; preliminary heap preparing before pneumoseparation; movement trajectory defining of heap parts at pneumoseparation.

Rational parameters of the heap pneumoseparation system in combine-harvesters of black currant are defined.

The results of the experimental and comparative explorations of the heap pneumosepa-ration system in serial and modernized combine-harvesters of black currant are given.

The modernization expediency of the heap pneumoseparation system in combine-harvesters of black currant is proved with economic calculations.

Key words: pneumoseparation, berry heap, part, soaring speed, admixtures, arrangement, criteria, fresh shoot, branch, trajectory, tray, vibration, demixing.

Размещено на Allbest.ru

...