Підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Луганський національний аграрний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Лавицький Вадим Петрович

Луганськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Луганському національному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Кириченко Володимир Єгорович, Луганський національний аграрний університет, завідувач кафедри експлуатації машинно-тракторного парку.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Козаченко Олексій Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідувач кафедри технічної експлуатації машин та устаткування;

кандидат технічних наук, доцент

Мітін В'ячеслав Миколайович, Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри машиновикористання в землеробстві.

Захист відбудеться “11” червня 2010 р. о 10 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.841.01 у Луганському національному аграрному університеті за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 1М-214.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Луганського національного аграрного університету за адресою: 91008, м. Луганськ, Луганський національний аграрний університет.

Автореферат розіслано “07” травня 2010 р.

Виконуючий обов'язки вченого

секретаря спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент В.П. Єрмак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пневмофрикційний сепаратор цибуля конструкторський

Актуальність теми. Цибуля є однією з найбільш цінних овочевих культур. Вона входить до групи основних овочів і займає одне з провідних місць нарівні з такими культурами, як картопля, капуста, морква. В Україні цибулю ріпчасту вирощують господарства всіх форм власності, посівна площа під нею з року в рік залишається в межах 50-60 тис. га, що в структурі загальної площі овочевих культур становить від 10 до 13 %.

У даний час, не дивлячись на існування механізованих технологій, промислове виробництво цибулі вимагає значних витрат праці. Значні трудовитрати є наслідком недостатньої механізації збиральних робіт. Процес збирання і післязбиральної обробки за даними різних джерел включає більше половини всіх витрат. Невід'ємною частиною цих процесів є відділення із зібраного вороху домішок: ґрунтових грудок, каменів і рослинних залишків. Механічні засоби, що застосовуються у виробництві, в основному оснащені сепараторами просіваючого типу, які не виділяють з вороху рівновеликі з цибулинами ґрунтові домішки, їх видалення доводиться виконувати вручну на перебиральних столах.

Тому розробка нових технічних засобів, що забезпечують підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі шляхом зниження трудових витрат, є досить актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційна робота є складовою частиною напрямку наукових досліджень кафедри експлуатації машинно-тракторного парку Луганського національного аграрного університету за темою: "Порівняльний аналіз ефективності варіантів технічного забезпечення ресурсозберігаючих технологій вирощування та збирання сільськогосподарських культур" (державний реєстраційний номер 0104U002709).

Мета роботи і задачі досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі шляхом розробки конструкції і вибору раціональних конструкторсько-технологічних параметрів пневмофрикційного сепаратора.

Для досягнення мети в роботі поставлено такі задачі:

проаналізувати існуючі технології і способи сепарації вороху цибулі, а також конструкції пристроїв для їх виконання і обґрунтувати конструкторсько-технологічну схему;

розробити математичну модель переміщення компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному шарі;

теоретично визначити параметри пневмофрикційного шару й режими роботи сепаратора з метою забезпечення протікання процесу розділення вороху цибулі;

експериментально підтвердити встановлені теоретичні положення процесу розділення вороху цибулі в пневмофрикційному шарі і визначити раціональні значення параметрів робочих органів сепаратора, оптимізувати основні з них;

дати економічну оцінку ефективності використання пневмофрикційного сепаратора при виділенні домішок з вороху цибулі;

розробити методику інженерного розрахунку основних конструкторсько-режимних параметрів пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі і дати практичні рекомендації щодо його ефективного використання.

Об'єкт дослідження - технологічний процес сепарації вороху цибулі за рахунок відмінності щільності і фрикційних властивостей поверхонь його компонентів.

Предмет дослідження - виявлення закономірностей технологічного процесу сепарації вороху цибулі в пневмофрикційному шарі.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних методів системного аналізу, положень теоретичної і аналітичної механіки, вищої математики, теорії опору тіл та аеродинаміки. Експериментальні дослідження виконувалися в лабораторних умовах відповідно до відомих і нових методик на розробленій автором експериментальній установці і лабораторних стендах з використанням сучасних методів планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що уперше:

- теоретично обґрунтовано можливість розділення компонентів вороху цибулі в двофазному газовому середовищі з внутрішньою твердою фазою у вигляді набору ансамблів полімерних дисків, блокованих ниткою (гірлянд), що утворюють пневмофрикційний шар;

- створено математичну модель взаємодії компонентів вороху цибулі з елементами пневмофрикційного шару;

- встановлено теоретичні та експериментальні залежності впливу конструкторських параметрів сепаратора вороху цибулі на якісні показники процесу сепарації;

- створено математичну модель, що дозволяє визначити траєкторії переміщення тіл у пневмофрикційному шарі;

- теоретично визначено залежності впливу конструкторсько-режимних параметрів сепаратора на його енергетичні показники і продуктивність;

- застосовано методику непрямого вимірювання за допомогою комп'ютерного відеоаналізу для дослідження траєкторій руху тіл у пневмофрикційному шарі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці конструкції і обґрунтуванні параметрів пневмофрикційного сепаратора, який дозволяє зменшити затрати ручної праці при сепарації вороху цибулі, а також - у розробці методики інженерного розрахунку даного пристрою. Новизну технічних рішень підтверджено патентом України на винахід (№ 24182) і патентом України на корисну модель (№ 43528).

Особистий внесок здобувача У дослідженнях за темою дисертації здобувачем самостійно одержано такі результати: виконано аналіз існуючих технологій, способів і пристроїв для виділення домішок з вороху цибулі і встановлено напрями вдосконалення даного процесу [3]; обґрунтовано принцип дії і конструкцію пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі [9]; проведено теоретичні дослідження взаємодії твердих тіл з пневмофрикційним шаром, на підставі яких отримано математичні залежності для визначення конструкторсько-режимних параметрів сепаратора вороху цибулі [1, 4, 5]; експериментально вивчено робочий процес сепарації в пневмофрикційному шарі й оптимізовано його конструкторсько-режимні параметри [2, 6, 7]; проведено оцінку економічної ефективності використання сепаратора в лініях післязбиральної доробки цибулі; розроблено методику інженерного розрахунку і рекомендації для виробництва щодо використання пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-практичних конференціях викладачів і співробітників Луганського національного аграрного університету (1998-2010  рр.), на IV  Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки» (м. Харків, ХНТУСГ, 2005), на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів і співробітників Таврійського державного агротехнічного університету (м. Мелітополь, ТДАУ, 2009), на науковій конференції викладачів і співробітників Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського (м. Донецьк, 2009), на VIII  Міжнародній науково-методичній конференції «Технічне забезпечення інноваційних технологій АПК» (м. Харків, ХНТУСГ, 2010).

У повному обсязі дисертаційну роботу було заслухано на науково-практичній конференції викладачів і співробітників ЛНАУ, розширеному засіданні кафедри експлуатації машинно-тракторного парку Луганського національного аграрного університету (м.  Луганськ, 2010 р.).

Публікації. Матеріали за темою дисертаційної роботи опубліковано в 7 статтях у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України. Одна стаття є одноосібною. Отримано один патент України на винахід (частка здобувача 25 %) та один патент України на корисну модель (частка здобувача 50 %).

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 174 найменувань (з яких 10 на іноземній мові) і додатків. Загальний обсяг дисертації - 227 сторінок. Робота містить 80 рисунки, 20  таблиць і 18  додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі роботи, визначено об'єкт, предмет, методи досліджень, наведено наукову новизну, практичне значення і рівень апробації отриманих результатів.

У першому розділі «Сучасний стан механізації технологічного процесу сепарації вороху цибулі» виконано аналіз існуючих технологій збирання і післязбиральної доробки цибулі, способів, пристроїв і робочих органів для її сепарації. Проведено аналіз механіко-технологічних характеристик цибулі на підставі відомих теоретичних і експериментальних досліджень.

Фундаментальні основи для вивчення закономірностей технологічних процесів збирання й післязбиральної доробки овочів, у тому числі процесу видалення домішок із зібраної маси цибулі, викладено в працях відомих учених: Н.Ф. Діденка, М.М. Колчина, Г.Д. Петрова, Ю.І. Зинов'єва, О.В. Козаченко, М.П. Ларюшина, І.І. Мейлахса, Е.С. Рейнгарта, В.А. Хвостова, В.П. Медведєва, Л.С. Землянова, М.М. Рахматулина, А.А. Протасова, В.Є. Зубкова, В.М. Мітіна, К.З. Кухмазова, А.М. Брюховецького, О.В. Коваленка та інших.

Вивчивши стан питання, ми зробили висновок, що машини для сепарації вороху цибулі лише частково механізують процес видалення домішок. Вказані технічні засоби мають механічні робочі органи просіваючого типу, які не здатні відокремлювати рівновеликі з цибулинами домішки. Їх виділення виконується вручну на інспекційних столах. Після виконаного аналізу було встановлено, що найбільш перспективними є сепаратори, в яких розділення компонентів вороху здійснюється за декількома характерними ознаками.

У зв'язку з цим нами запропоновано концепцію підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі шляхом розробки і застосування пневмофрикційного сепаратора, що здатний розділяти компоненти вороху цибулі за щільністю та фрикційними властивостями їхніх поверхонь.

Так як процес відділення домішок на пневмофрикційному сепараторі має специфічний характер, то вивчення характеру руху компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному середовищі потребує подальшого теоретичного дослідження.

У другому розділі "Теоретичне дослідження технологічного процесу сепарації вороху цибулі" за допомогою методів системного аналізу обґрунтовано й створено конструкторсько-технологічну схему пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі

Робочий орган пневмофрикційного сепаратора - це пакет гірлянд 3, що утворюють сепаруючий шар у ванні 2 прямокутної форми, яка розташована вертикально.

Гірлянди прикріплено до основи ванни. Кожна гірлянда закінчується втулкою, за допомогою якої вона закріплюється до однієї з осей. Осі із втулками гірлянд утворюють поверхню решітки основи ванни. У верхній частині ванни розташовано завантажувальну камеру 5 і канал для дрібних домішок 6.

Паралельно вихідній поверхні ванни, утвореній кінцями гірлянд, встановлено відвідний лоток дрібних домішок 7, знімач 8 для цибулин і приймальний лоток 9 для каміння та ґрунтових грудок, за якими розташовано відвідні транспортери 12 і 13.

Ванну сполучено з жалюзійним блоком 4 і закріплено на рамі 1. Жалюзі створюють рівномірний повітряний потік по всій поверхні решіткової основи ванни і дозволяють регулювати подачу повітря в різних зонах робочої поверхні.

Нагнітальна камера 10 має форму труби й з'єднує жалюзі з вентилятором 11, який розміщено паралельно рамі сепаратора. Для зменшення витрати повітря по периметру з'єднань ванни з жалюзійним блоком, нагнітальною камерою та вентилятором встановлено гумові прокладки.

Для подачі та розосередження початкового вороху над завантажувальною камерою розташовано транспортер 14.

Для розробленої конструкторсько-технологічної схеми було виконано аналітико-теоретичні дослідження робочого процесу сепарації з метою отримання необхідних аналітичних залежностей щодо визначення основних конструкторсько-режимних параметрів сепаратора.

Ефективність розділення вороху цибулі сепаратором залежить від властивостей і стану робочого середовища - пневмофрикційного шару - і характеру руху компонентів вороху при взаємодії з елементами, що формують його, - гірляндами. У зв'язку з цим необхідно обґрунтувати пропоновану систему «гірлянда - повітря» як середовище, в якому можливе розділення вороху цибулі за щільністю; вивчити закони переміщення тіл у пневмофрикційному середовищі.

Гірлянди є з'єднанням елементів аеродинамічного опору (полімерних дисків), які під дією повітряного потоку приймають горизонтальне положення і в зайнятому ними просторі створюють перепад тиску, що наростає від поверхні шару до повітророзподільних решіток. У цьому стані на гірлянду діє підйомна сила F_п, Н, що утримує її в горизонтальному положенні; лобовий опір F_л, Н, і гідростатична сила, яка обумовлена перепадом статичного тиску. Ці сили виникають у результаті взаємодії з гірляндою так званих «вихрових систем», викликаних рухом повітря.

Розглянемо сили, що діють на гірлянду, в проекціях на осі координат:

OY: (1)

(2)

де T - сила натягнення гірлянди, Н; mg - сила тяжіння, Н; n - число зерен у гірлянді.

Представимо вираз (1) у розгорненому вигляді і виразимо з нього швидкість повітря щ₀, м/с, при якій гірлянди займають горизонтальне положення:

(3)

де с_з - щільність матеріалу зерна гірлянди, кг/м³; l - товщина зерна гірлянди, м;
d_з - діаметр зерна гірлянди (диска), м; C_y - коефіцієнт підйомної сили; с_в - щільність агента, що зріджує, (повітря), кг/м³.

Для визначення перепаду тиску ДР у шарі при русі повітря вздовж горизонтально розташованих гірлянд звернемося до рівняння (2). Силу натягнення Т₀, можна розглядати як силу, обумовлену повітряним тиском на гірлянду, яка обдувається повітряним потоком із швидкістю щ₀, і перепаду статичного напору, що створюється в шарі. У такому разі перепад тиску ДР, Па, можна представити виразом:

 (4)

де s - середній переріз гірлянди як цілого, м².

Ефективна виштовхуюча сила F_в, Н, що діє на гірлянду, створюється повітряним потоком, який діє з одного боку, як рухоме середовище, з іншого - як середовище, що має потенціал статичного тиску. Тому величина сили натягу Т₀ складається з динамічної компоненти F_d, Н, і статичної F_s, Н:

тоді

Силу дії на гірлянду, обумовлену потенціалом статичного тиску, можна ототожнити з силою дії деякої еквівалентної рідини, щільність якої вважаємо статичною щільністю шару с_s, кг/м³. Для випадку початку псевдозрідження статичну щільність шару можна ототожнити з масою матеріалу гірлянд на одиницю об'єму. Тоді:

(5)

де е - середня частка порожнин у шарі (порізність), для пневмофрикційного шару .

Динамічну компоненту виштовхуючої сили визначимо, скориставшись формулою для визначення сил лобового опору:

(6)

Виразимо перепад тиску через параметри шару:

,

або

(7)

де C_х - коефіцієнт сили лобового опору; h₀ - максимальна глибина шару, м; W - якість гірлянди, .

Для представлення перепаду тиску у вільному шарі при будь-яких значеннях швидкості повітря було отримано вираз на підставі узагальнення і представлення шуканих величин у вигляді наближених функцій для шару з параметрами

h₀ = 0,25м, t = 4·10^-3 м, е = 0,94, d = 6ч12 мм.

(8)

де t - відстань між дисками в гірлянді, м; н - кінематична в'язкість повітря, м/с.

Вираз (8) дозволяє побудувати залежність ДР = f (щ) (рис. 4), за допомогою якої можна оцінити стан пневмо-фрикційного шару при будь-якому швидкісному режимі. Ця залежність близька до квадратичної в межах досліджуваних швидкостей ДР₁ = f(щ).

Досліджуване середовище гіпотетично призначене для розділення тіл за щільністю і фрикційними властивостями. Розглянемо схему сил, що діють на тіло, яке переміщується в пневмофрикційному шарі (рис. 5) з урахуванням наступних припущень: форму тіла приймаємо у вигляді кулі; рух тіла розглядається в вертикальній площині; повітряний потік, що проходить через решітку, постійний за тиском і швидкістю.

На тіло основний вплив має виштовхуюча сила F_в і сила тяжіння mg. Крім цього, траєкторія переміщення тіл залежатиме від взаємодії їх поверхні з поверхнею гірлянд, внаслідок чого виникає сила опору F_с, Н, обумовлена силами тертя F_ф, Н, і F_n, Н. У свою чергу гірлянди, що натягуються під впливом повітряного потоку, створюють сили бічного тиску F_б,  Н, які врівноважують одна одну. Тому траєкторію руху тіла доцільно розглядати в вертикальній площині.

Розглянемо систему сил, що діють на тіло, з боку пневмофрикційного шару:

(9)

У результаті силового аналізу отримана система диференціальних рівнянь:

(10)

Для розв'язання даної системи необхідно визначити виштовхуючу силу і сили опору руху тіл. Рівняння зв'язку для цих сил отримані на основі експериментальних і теоретичних досліджень.

Виштовхуючу силу, яка діє на занурене в пневмофрикційний шар тіло, зумовлює потенціал тиску, що створюється в результаті взаємодії повітряних струменів і гірлянд. Цю силу можна ототожнити з силою дії деякої еквівалентної рідини. Проте дослідження показали, що ця сила відрізняється від архімедової і є результатом складної взаємодії занурених тіл з повітряним потоком і гірляндами.

Дану відмінність можна виразити через ефективну щільність середовища с_э, кг/м³, яка є функцією його геометричних і режимних параметрів.

При спостереженні руху тіл у пневмофрикційному середовищі чітко виділяються зони занурення тіла і виходу його з шару (рис. 7), у яких ефективна щільність залежить від глибини шару о. Цю залежність можна представити у вигляді двох прямолінійних ділянок, що виражаються рівнянням:

, (11)

де с_э0 - початкова ефективна щільність, кг/м³; к - кутовий коефіцієнт, кг/м⁴, (показник глибинного приросту ефективної щільності шару),

;

о - відношення координати занурення тіла Х, м, до максимальної глибини шару h₀, м,

; о_н 

- початкова глибина розташування центра зануреного тіла в шарі.

Тоді виштовхуюча сила визначається виразом:

 (12)

Таким чином, для обчислення виштовхуючої сили досить мати рівняння для знаходження ефективної щільності, яке отримане в результаті узагальнення експериментальних даних:

(13)

где С₁, С₂, - константи, що враховують параметри шару, (С₁=0,08; С₂=0,55);

ц₀ - частка живого перерізу в проекції на повітророзподільну решітку, %.

Тоді:

(14)

Отриманий вираз можна спростити, апроксимувавши експериментальні дані наближеною функцією F_вэ, Н, з урахуванням збереження залежності виштовхуючої сили від діаметрів занурених тіл і швидкості повітряного потоку:

. (15)

Розглянемо силу опору руху тіл у пневмофрикційному шарі F_с. Ця сила складається з двох сил - сили тертя руху тіла вздовж гірлянд F_ф і сили опору руху поперек гірлянд F_n.

Тіло діаметром d, занурене в пневмофрикційний шар на глибину h₀-X, стискують гірлянди, створюючи деяку силу N, Н. Кількість задіяних гірлянд і кути їх обхвату б, град, залежать від діаметру зануреного тіла і відстані між гірляндами на решітці а, м.

Результуюча сила F_ф визначається дією всіх гірлянд, для яких кут обхвату відмінний від нуля, тобто:

, (16)

де F_тр - сила тертя при русі тіла вздовж однієї гірлянди, пропорційна силі нормального тиску N, Н.

Сумарний кут обхвату б визначимо з виразу:

(17)

Тоді:

(18)

де k_ф - коефіцієнт пропорційності, залежний від форми і фрикційних властивостей поверхні гірлянд і занурюваних тіл, м.

Сила опору F_n, обумовлена рухом тіла поперек гірлянд. В цьому випадку диски гірлянди перекочуються по поверхні тіла, отже, цей рух можна вважати рухом з тертям кочення:

 (19)

де k_n - коефіцієнт пропорційності, залежний від матеріалу взаємодіючих тіл і від стану їх поверхні, визначається експериментально, м.

Після підстановки в систему рівнянь (10) виштовхуючої сили F_в (15) та сили опору руху F_ф (18), отримаємо рівняння:

(20)

де m - маса тіла зануреного в пневмофрикційний шар, кг.

Після ряду математичних перетворень рівняння матиме вигляд:

(21)

де ;

.

Розв'язуючи рівняння (21), отримаємо час ф, с, переміщення тіл в шарі:

. (22)

Для знаходження траєкторії проходження тіл через шар розглянемо друге рівняння системи (10). Тут сила F_n залежить тільки від координати о і не залежить від часу. Проінтегрувавши, отримаємо координату переміщення тіл в шарі Y, м:

. (23)

Підставляючи раніше розрахований час з (22) і силу тертя F_n з (19), отримаємо:

(24)

Отриману залежність (24) можна вважати математичною моделлю переміщення тіл у пневмофрикційному шарі.

Пневмофрикційний сепаратор призначений для роботи як в складі стаціонарних ліній, так і в мобільних машинах, що включають операції видалення домішок з вороху цибулі. Очевидно, що пропускна спроможність сепаратора повинна відповідати продуктивності цих комплексів.

Виходячи з конструкторських особливостей сепаратора, його пропускна спроможність обмежена наступними умовами: необхідністю організації одношарової подачі компонентів вороху, що розділяються, швидкістю їх проходження через шар і площею поверхні шару в зоні завантаження.

Враховуючи вище викладені обмеження, пропускну спроможність сепаратора М, т/год, можна визначити, скориставшись загальним рівнянням для машин безперервного транспорту:

 (25)

де b - робоча ширина пневмофрикційного шару, м; d_ср - середній діаметр тіл, що розділяються, м; х_ср - середня швидкість переміщення тіла через шар, м/с;

ш - коефіцієнт заповнення поверхні шару в зоні завантаження; с_л - щільність цибулі, кг/м³; л - коефіцієнт засміченості вороху; с_к - щільність ґрунтових грудок, кг/м³.

Потужність пневмофрикційного сепаратора N, кВт, витрачається на привід нагнітального вентилятора, вибір якого буде залежати від опору системи повітряному потоку:

(26)

де k₁ - коефіцієнт запасу, що враховує незбіг значень каталожного і фактичного ККД вентилятора, k₁ = 1,05; k₂ - коефіцієнт, що враховує неточність розрахунку втрат у мережі k₂=1,06; з_в - ККД вентилятора, з_в = 0,7; з_п - ККД передачі при безпосередньому з'єднанні, з_п=1,0; ДР - втрати тиску в пневмофрикційному шарі, Па; Р_п.в. - втрати в повітровід, Па; Р_п.р. - втрати тиску на подолання місцевих опорів в повітророзподільній решітці, Па; L - витрати повітря, м³/год.

Виконані дослідження дозволили теоретично обґрунтувати робочий процес пневмофрикційного сепаратора і визначити основні конструкторські параметри: максимальна глибина шару h₀ = 0,25 м (довжина гірлянди); відстань між гірляндами а = 0,018 м; висота шару 0,5 м при ширині 0,3 м; висота установки зйомника цибулин від 0,2 до 0,26 м. При теоретичній продуктивності сепаратора М = 5 т/год, теоретична потужність вентилятора склала N = 4  кВт.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" викладено програму експериментальних досліджень, описана експериментальна установка, наведено методику проведення і обробки результатів експериментальних досліджень та оптимізації основних параметрів сепаратора.

Програмою експериментальних досліджень передбачено рішення таких питань: вивчення аеродинамічних характеристик пневмофрикційного шару й гірлянди; перевірка залежностей, отриманих за допомогою теоретичних досліджень; визначення раціональних параметрів робочих органів і оптимізація основних з них та вивчення впливу різних факторів на якість роботи сепаратора, його продуктивність і енергоємність; проведення оцінки роботи пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі в лабораторних умовах.

Для експериментального дослідження процесу сепарації вороху цибулі розроблена й виготовлена експериментальна установка.

Експериментальна установка складається з рами 7 із закріпленим на ній подаючим транспортером 5, відцентрового вентилятора 1, камери-ресівера 2, повітророзподільного блоку 11 і сепаруючого робочого органу - ванни з пневмофрикційним шаром 9.

Ванна жорстко пов'язана з повітророзподільним блоком та встановлена на рухомій рамі 10, що дає можливість переміщати робочий орган по вертикалі відносно завантажувального транспортера. Для управління повітряним потоком в повітророзподільному блоці розміщені жалюзі, до кожної з яких прикріплений регулятор, що фіксує положення. Ванна обладнана розподільною пластиною 8, що переміщується по вертикалі паралельно поверхні шару, це дозволяє корегувати вихід розділених компонентів вороху.

Привід подаючого транспортера здійснюється від електродвигуна постійного струму 3 через знижуючий редуктор 4 за допомогою ланцюгової передачі. Подача вороху регулюється зміною частоти обертання двигуна за допомогою латера, розташованого в блоці управління 6. Блок управління містить пускову й захисну апаратуру електродвигунів.

Для оптимізації конструкторсько-режимних параметрів пневмофрикційного сепаратора використовувався метод планування експерименту. За критерій оптимізації параметрів було прийнято загальний коефіцієнт сепарації компонентів вороху цибулі Е, %.

Спираючись на апріорну інформацію та результати пошукових експериментів, було вибрано фактори оптимізації: швидкість руху транспортерної стрічки щ_тр; засміченість вороху цибулі л, висота установки розподільної пластини h_п.

Лабораторні випробування проведено з використанням цибулі сорту "Стригунівський" при засміченості вороху до 20 % із середньою вологістю близько 11 % та середнім діаметром цибулин d_ср = 0,039 м.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведено результати вивчення аеродинамічних параметрів пневмофрикційного шару та експериментального дослідження пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі.

Було встановлено, що з найбільшою точністю форма цибулин сорту "Стригунівський" апроксимується формою кулі.

Експериментально досліджені сили аеродинамічного опору елементів пневмофрикційного шару (гірлянд) і встановлений емпіричний коефіцієнт для їх теоретичного визначення (С_х = 1,7).

Щільність і фрикційні властивості компонентів вороху цибулі значно відрізняються, що створює сприятливі умови для їх руху по різних траєкторіях у пневмофрикційному шарі і в результаті на різних рівнях. На рис. 11 представлено траєкторії переміщення компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному шарі, побудовані за експериментальними і теоретично отриманими даними.

З представлених залежностей видно, що траєкторії руху ґрунтових грудок проходять значно нижче за траєкторії руху цибулин, завдяки чому виділяються дві робочі зони: зона переміщення цибулин і зона переміщення ґрунтових грудок. Між цими зонами утворюється інтервал, який відокремлює їх одну від іншої. Це підтверджує припущення про можливість розділення компонентів вороху за щільністю і фрикційними властивостями.

Задача оптимізації пара-метрів сепарації вирішувалася за допомогою планування багато-факторного експерименту, був використаний некомпозиційний план Бокса-Бенкіна другого порядку для трьох чинників.

Як критерій оптимізації був прийнятий загальний коефіцієнт розділення Е, що враховує точність розділення компонентів вороху цибулі, чинників, що впливають на нього: швидкість руху транспортерної стрічки
щ_тр, м/с, засміченість вороху цибулі л і висота установки розподільної пластини h_п, м.

При цьому отримано математичну модель у вигляді багатомірного полінома :

Y = - 929,383421 +8,489035 X₁ - 0,017754 X₁² + 8,256433 X₂ +

+0,032953 X₂² - 12,654167 X₃ - 81,779167 X₃² - 0,041167 X₁X₂ +

+0,205 X₁X₃ + 0,427 X₂X₃ (27)

Область оптимуму було детально вивчено методом двомірних перетинів. Наведено двомірний перетин поверхні відгуку. Для даних умов протікання процесу сепарації вороху цибулі загальний коефіцієнт сепарації приймає оптимальні значення (Y=Еmax) при Х₁=h_п = 226 мм; Х₂=л=14 %; Х₃=щ_тр=0,4 м /с. Критерій оптимізації в даній точці складає Y=Е=87%.

У п'ятому розділі "Економічна ефективність застосування пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі та рекомендації щодо його використання" приведено результати визначення техніко-економічних показників застосування пневмофрикційного сепаратора, який використовується при вторинній доробці вороху цибулі в лінії доробки цибулі ПМЛ-6 замість перебирального столу. При розрахунковій ціні сепаратора 6570,13 грн. витрати праці знижуються на 84%, що дозволяє вивільнити до 5 робітників-перебирачів. При цьому річний економічний ефект у споживача від використання одного пневмофрикційного сепаратора складає 5045 грн.

У розділі розроблено рекомендації виробництву щодо ефективного використання сепаратора та методику інженерного розрахунку даного пристрою.

Рекомендації щодо використання пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі та методику його інженерного розрахунку передано керівництву: ТОВ «Технаука» м. Луганськ, Луганського інституту АПВ Української академії аграрних наук, Головного управління агропромислового розвитку Луганської облдержадміністрації. Методичне забезпечення та експериментальний зразок установки для сепарації вороху цибулі впроваджені в навчальний процес у Луганському національному аграрному університеті.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

На підставі аналізу існуючих технологій, способів сепарації вороху цибулі з'ясували, що видалення домішок із вороху цибулі (рівновеликих із цибулинами ґрунтових грудок і каменів) при механізованій обробці, до цього часу не виконується без застосування ручної праці. Аналіз існуючих пристроїв і робочих органів для сепарації цибулі при використанні методу системного аналізу дав можливість запропонувати й обґрунтувати конструкторсько-технологічну схему пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі.

Теоретично обґрунтовано робочий процес пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі. Розроблено математичні моделі переміщення компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному середовищі (24) і взаємодії цих компонентів з його робочими поверхнями (16), розрахункові залежності для визначення конструкторсько-режимних параметрів сепаратора (25), (26).

За результатами теоретичних досліджень визначені конструкторські параметри пневмофрикційного шару, які забезпечують розділення компонентів вороху цибулі: глибина 0,25 м (довжина гірлянди); відстань між гірляндами 0,018 м; висота 0,5 м; робоча ширина 0,3 м.

Експериментальні дослідження підтвердили теоретичні передумови щодо вивчення процесу сепарації вороху цибулі з розбіжністю значень у середньому 7 % і дозволили:

визначити коефіцієнти аеродинамічного опору с_х=1,7, с_у=0,15 і побудувати графічну залежність ДР = f(щ), що характеризує стан пневмофрикційного середовища;

визначити сили F_в, F_ф та F_n, що діють на тіло, яке переміщується в пневмофрикційному шарі, а також коефіцієнт пропорційності для їх розрахунку: для цибулі k_фц=5,4 ^. 10^-5, k_nц=3,1 ^. 10^-5; для ґрунтових грудок k_фг=3,2 ^. 10^-4, k_nг=1,8 ^. 10^-4;

дослідити траєкторії руху компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному шарі та встановити межі розділового інтервалу при виході компонентів із шару на висоті h_п=200ч260 мм від рівня завантаження;

встановити при швидкості подачі вороху 0,5 м/с та його засміченості 20 % пропускну здатність сепаратора М = 5 т/год і споживану потужність нагнітального вентилятора N = 4 кВт.

Експериментально встановлено, що на ефективність роботи сепаратора Е найбільше впливають такі фактори: висота установки розподільної пластини h_п, швидкість подачі вороху щ_тр, засміченність вороху л. Виконання повного факторного експерименту дало змогу встановити їх оптимальні значення на рівні 95% вірогідності: h_п=0,226 м, щ_тр=0,4 м/с, л=14 %, Е = 87 %.

Пневмофрикційний сепаратор вороху цибулі дозволяє понизити витрати ручної праці при післязбиральній доробці цибулі на 84%. При розрахунковій ціні сепаратора 6570,13  грн. річний економічний ефект у споживача від використання одного пневмофрикційного сепаратора складає 5045 грн.

Розроблені рекомендації щодо використання пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі й методика його інженерного розрахунку, які можуть бути використані в малих господарствах і агрофірмах, що займаються вирощуванням цибулі на промисловій основі, а також проектно-конструкторськими і промисловими підприємствами при розробці техніки для аграрного сектора.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Зубков В.Е. Вопросы сепарации тел в стационарном блокированном псевдоожиженном слое / В.Е. Зубков, В.П. Лавицкий // Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту. - Луганськ, 1999. - Вип. 4(10): Технічні науки. - С. 147-152.

Зубков В.Е. Определение силы сопротивления гирлянд при широтном перемещении тел в псевдослое / В.Е. Зубков, В.П. Лавицкий // Збірник наукових праць Луганського державного аграрного університету. Луганськ, 2001. - Вип. 10(22): Технічні науки. - С. 166-170.

Кириченко В.Е. Совершенствование технологии послеуборочной доработки лука / В.Е. Кириченко, В.П. Лавицкий // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2006. - Вип. 64(87): Технічні науки - С. 175-178.

Лавицкий В.П. Графическое изображение процесса псевдоожижения в блокированном псевдоожиженном слое / В.П. Лавицкий // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2008. - Вип. 91: Технічні науки. - С. 198-202.

Кириченко В.Є. Теоретичне обґрунтування траєкторій переміщення тіл у блокованому псевдозрідженому шарі при сепарації вороху цибулі / В.Є. Кириченко, В.П. Лавицький // Праці ТДАТУ. - Мелітополь, 2009. - Вип. 9, Т. 1. - С. 60-66.

Лавицкий В.П. Исследование фрикционных свойств пневмофрикционного слоя при сепарации лука / В.П. Лавицкий, А.Н. Брюховецкий // Науковий вісник Луганського НАУ. Луганськ : Видавництво ЛНАУ. - 2009. - Вип. 2: Технічні науки. - С.142-146.

Кириченко В.Є. Ексриментальне дослідження аеродинамічних параметрів псевдозрідженому шару / В.Є. Кириченко, В.П. Лавицький // Вісник ХНТУСГ ім. П. Василенка. - Харків, 2010. - Вип. 95. - С. 211-217.

Пат. 24182 Україна, МПК A01D33/08. Сепаратор коренебульбоплодів від домішок / Зубков В.Є., Коваленко О.В., Брюховецький А.Н., Лавицький В.П. - №97062718; заявл. 9.06.97, опубл. 07.07.98.

Пат. 43528 Україна, МПК A01D33/08.Сепаратор вороху цибулі (картоплі) / Лавицький В.П., Брюховецький А.Н. - №200901409; заявл. 19.02.2009, опубл. 25.08.2009, Бюл. №16.

АНОТАЦІЯ

Лавицький В.П. Підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Луганський національний аграрний університет, Луганськ, 2010.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності технологічного процесу сепарації вороху цибулі. Проаналізовано існуючі технології, способи, пристрої і робочі органи для сепарації вороху цибулі, доведено необхідність створення пневмофрикційного сепаратора для його розділення.

Розроблено конструкторсько-технологічну схема пневмофрикційного сепаратора. Проведено теоретичний аналіз процесу сепарації вороху цибулі. Побудовано математичні моделі взаємодії компонентів вороху цибулі з елементами пневмофрикційного шару і переміщення компонентів вороху цибулі в пневмофрикційному шарі. Виконано оптимізацію основних конструкторсько-режимних параметрів пневмофрикційного сепаратора вороху цибулі.

Експериментальні дослідження підтвердили працездатність і високу ефективність пневмофрикційного сепаратора. Розроблено рекомендації щодо використання даного технічного пристрою.

Ключові слова: технологічний процес сепарації вороху цибулі, пневмофрикційний сепаратор, оптимізація, ефективність, рекомендації щодо використання.

АННОТАЦИЯ

Лавицкий В.П. Повышение эффективности технологического процесса сепарации вороха лука. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Луганский национальный аграрный университет, Луганск, 2010.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технологического процесса сепарации вороха лука.

В результате анализа существующих технологий, способов, устройств и рабочих органов для сепарации вороха лука доказана необходимость создания пневмофрикционного сепаратора для его разделения, исключающего применение ручного труда, отличающегося высокой эффективностью разделения, простотой устройства и эксплуатации.

При помощи метода системного анализа разработана конструкторско-технологическая схема пневмофрикционного сепаратора. Проведен теоретический анализ процесса сепарации вороха лука. Построены математические модели взаимодействия компонентов вороха лука с элементами пневмофрикционного слоя и перемещения компонентов вороха лука в пневмофрикционном слое.

Разработана методика непрямого измерения при помощи компьютерного видеоанализа для исследования движения тел в пневмофрикционной среде.

Выполнена оптимизация основных конструкторско-режимных параметров пневмофрикционного сепаратора вороха лука.

В результате исследований разработан пневмофрикционный сепаратор вороха лука, проверка работы которого подтвердила его работоспособность и высокую эффективность.

Предложены рекомендации по использованию данного технического устройства и методика его инженерного расчета, которые подтверждают возможность широкого и эффективного использования данной машины в хозяйствах занимающихся выращиванием лука, на овощных базах, в средних и малых фермерских хозяйствах Украины.

Ключевые слова: технологический процесс сепарации вороха лука, пневмофрикционный сепаратор, оптимизация, эффективность, рекомендации по использованию.

SUMMARY

Lavitskiy V.P. Increasing of technological process efficiency of onion piles separation. - Manuscript.

Thesis for a technical sciences candidate's degree on specialty 05.05.11 - machines and means of farm production mechanization. Lugansk National Agrarian University, Lugansk, 2010.

The thesis is devoted to the problems of increasing the technological process efficiency of onion piles separation.

The analysis of existing technologies, methods, devices and workings parts for onion piles separation made it possible to devise a new pneumofriction separator for onion piles separation.

Applying the system analysis method the design-technological scheme of pneumofriction separator was devised. Theoretical analysis of onion piles separation was considered, offering the mathematical models of interaction of parts of onion piles with the elements of pneumofriction layer and removal of onion piles in the pneumofriction layer.

The optimization of basic design-regime parameters of onion piles pneumofriction separator was suggested.

The experimental testing were used to prove its workability and high productivity.

Some recommendationas to the application of given technical device and methods of its design calculations were suggested.

Keywords: technological process of onion piles separation, pneumofriction separator, optimization, efficiency, recommendation for use.

Размещено на Allbest.ru

...