Совершенствование процесса калибрования картофеля на основе моделирования работы ленточного сортирующего устройства
На правах рукописи
САВРАСОВА Наталья Рэмовна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАЛИБРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ЛЕНТОЧНОГО СОРТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Челябинск – 2011
Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация машинно-трак торного парка» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябин ская государственная агроинженерная академия».
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Латыпов Рафкат Мирхатович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Капов Султан Нануович доктор технических наук, профессор Охотников Борис Лазаревич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Защита состоится «20» мая 2011 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябин ская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан «15» апреля 2011 г. и размещен на офи циальном сайте ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроин женерная академия» http://www.csaa.ru. «18» апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Возмилов А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В получении высоких и устойчивых уро жаев картофеля важную роль играют качество семенных клубней и их предпосадочная подготовка. Посадка клубнями примерно оди накового размера и веса ведет к повышению производительности и качества работы картофелепосадочных машин. Однородный се менной материал позволяет снизить пропуски картофелепосадочных машин, повысить качество ухода за посадками, обеспечить дружные всходы и высокую урожайность. Семенные клубни не должны иметь внешних и внутренних повреждений. Повреждения семенных клуб ней отрицательно влияют на продуктивность семенного материала и на качество полученного из таких клубней урожая. Следовательно, при машинной посадке семенной картофель должен быть отсорти рован и при этом не поврежден.
Анализ существующих типов калибрующих устройств пока зал, что наиболее полно удовлетворяют агротехническим требованиям к калиброванию семенного материала сортирующие устройства с ремен ными рабочими органами, которые не повреждают клубни, не забива ются при работе, на них легко осуществить регулировку. Однако основ ным недостатком устройств с ременными рабочими органами является более низкая, по сравнению с другими сортирующими устройствами, точность калибрования. Невысокое качество калибрования устройств с ременными рабочими органами обусловлено несоответствием их тех нологических и конструктивных параметров требованиям процесса.
В связи с этим вопросы исследования и установления зако номерностей движения и взаимодействия клубней на поверхности калибрующих устройств с ременными рабочими органами с целью определения рациональных значений технологических и конструк тивных параметров для повышения точности калибрования и ис ключения повреждений клубней на протяжении всего технологиче ского процесса калибрования являются актуальными.
Работа выполнена в соответствии с Государственной програм мой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохо зяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 годы, утвержденной постановлением Правительства Российской Федера ции 14 июля 2007 г.
Цель исследования. Повышение качества калибрования клуб ней картофеля на основе моделирования работы ленточного сорти рующего устройства и совершенствования его режима работы и кон структивных параметров.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель, позволяющую описать процесс движения и взаимодействия клубней на поверхности лен точного сортирующего устройства и установить влияние его режи ма работы и конструктивных параметров на качество калибрования картофеля.
2. Установить закономерности изменения максимального на пряжения в мякоти клубней в зависимости от скорости их соударения и высот падения на ровную поверхность и на другой клубень.
3. Разработать методики: использования пакета Adams/View для моделирования процесса калибрования на ленточном сортирую щем устройстве, проведения экспериментальных исследований.
4. Провести экспериментальные исследования процесса кали брования клубней на ленточном сортирующем устройстве при уста новленных режимах и конструктивных параметрах.
Объект исследования: технологический процесс калиброва ния клубней картофеля на ленточном сортирующем устройстве.
Предмет исследования: закономерности процесса движения и взаимодействия клубней картофеля на поверхности ленточно го сортирующего устройства, взаимосвязь качества калибрования клубней картофеля с режимом работы и конструктивными параме трами устройства, закономерности изменения максимального на пряжения в мякоти клубня при его контактных динамических взаи модействиях в процессе калибрования.
Методы исследования: теоретические исследования базирова лись на аналитической механике неголономных систем, на механике деформируемого твердого тела и на теории упругого удара Герца.
В основе экспериментальных исследований лежат методы сопротив ления материалов и математической статистики.
Научная новизна основных положений, выносимых на за щиту:
1. Математическая модель, описывающая процесс движения и взаимодействия клубней на сортирующем устройстве с двумя поверхностями, движущимися с разными скоростями и позволя ющая определять скоростной режим работы и конструктивные параметры данного устройства для повышения качества калибро вания.
2. Закономерности изменения максимального напряжения в мя коти клубней в зависимости от скорости соударения и высот падения на ровную поверхность и на другой клубень, полученные на основе теории упругого удара Герца.
3. Методики: использования пакета Adams/View для моделиро вания процесса калибрования на ленточном сортирующем устрой стве;
определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня при сжатии.
4. Результаты экспериментальных исследований.
Практическая значимость и реализация результатов рабо ты. Применение ленточного сортирующего устройства для калибро вания картофеля с рекомендуемыми режимом работы и конструк тивными параметрами позволяет повысить точность калибрования клубней, снизить их повреждаемость. Результаты исследований мо гут быть использованы в НИИ и КБ при проектировании и разработ ке конструкций ленточных сортирующих устройств.
Результаты работы внедрены в ОАО «Племзавод “Россия”» и ис пользуются в учебном процессе ЧГАА.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на ежегодных международных научно-тех нических конференциях ЧГАУ (2006–2009 гг.), ЧГАА (2010–2011 гг.);
на международной конференции «Проблемы механики современных машин» (2009 г., ВСГТУ, г. Улан-Удэ);
на Всероссийской научно практической конференции «Актуальные проблемы машинострое ния» (2010 г., г. Самара).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, име ется патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 75 рисун ков, состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций, 8 прило жений. Список использованной литературы включает в себя 123 наи менования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, по ставлена цель исследования, показаны научная новизна и практиче ская значимость работы, приведены основные положения, выноси мые на защиту.
Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена обзору способов калибрования клубней картофеля и со стоянию научных исследований по описанию процессов движения и взаимодействия клубней при калибровании.
Показано, что наиболее перспективным для подготовки семен ного картофеля является применение калибрующих устройств с ре менными рабочими органами, в которых реализуется параллельная схема отделения фракций, позволяющая повысить качество и про изводительность процесса калибрования. Исходя из этого, для ка либрования семенного картофеля предложено использовать ленточ ное сортирующее устройство транспортерного типа, разработанное в Южно-Уральском НИИ плодоовощеводства и картофелеводства, совместно с ЧГАУ(А), которое, сохраняя все достоинства ременных сортирующих устройств, должно обеспечить более высокое каче ство калибрования за счет реализуемой в нем параллельной схемы отделения фракций (рисунок 1).
Характерной особенностью данного устройства является наличие двух ленточных транспортеров: нижний (1) расположен под углом к горизонту, верхний выполнен в виде двух парал лельно расположенных клиновых ремней (2) (на рисунке 1 б по казан один ремень). Клиновые ремни служат для задержки со ответственно крупной (3) и средней фракций (4) картофеля на нижнем транспортере для последующего перемещения в при способление для приема отсортированного картофеля. Мелкий картофель, размеры которого меньше величины зазора между плоскостью транспортера и ремнем, скатывается вниз по наклон ной плоскости (5). Лабораторные испытания данного устройства выявили следующий недостаток: клубни крупной фракции, за держиваясь калибрующим ремнем, преграждали проход между ними клубням средней и мелкой фракций, что снижало качество калибрования.
а б Рисунок 1 – Схема ленточного сортирующего устройства транспортерного типа: а – вид сбоку;
б – общий вид Предположили, что разъединение клубней крупной фракции в процессе калибрования возможно путем реализации более вы сокой скорости перемещения калибрующих ремней по сравнению со скоростью нижнего транспортера. Это должно обусловить пере катывание крупных клубней, их разъединение, в результате чего должно освободиться пространство для прохода и скатывания клуб ней более мелкой фракции.
Для определения режима работы и рациональных конструктив ных параметров ленточного сортирующего устройства, обеспечи вающих наибольшую точность калибрования, необходимо устано вить, как влияют относительная скорость ремней и нижнего транс портера, угол наклона нижнего транспортера на характер движения и взаимодействия клубней при калибровании. Для исследования процесса калибрования клубней на данном устройстве необходимо составить математическую модель, описывающую процесс движе ния и взаимодействия системы как минимум из трех тел округлой формы, опирающихся на две поверхности, одна из которых движет ся относительно другой.
Изучением задач динамики тел, соприкасающихся во время дви жения с неподвижной или движущейся твердой поверхностью, зани мались: Г. Кориолис, А. Резаль, Э. Раус, П. Аппель, С.А. Чаплыгин, П.В. Воронец, Г.К. Суслов, А.П. Маркеев, Ю.И. Неймарк, Н.И. Фуфа ев, В.В. Добронравов, Д.М. Климов, В.Ф. Журавлев, М.В. Ишханян и другие. На основе анализа данных исследований сделаны следую щие выводы: в аналитической механике большинство решенных за дач связано с движением одного тела (в основном шара) по различным шероховатым поверхностям;
задачи о движении эллипсоида решены только для некоторых частных случаев;
исследования системы тел ограничиваются системой из двух тел, когда одно помещено внутрь другого;
задача о движении системы трех тел сферической формы в аналитической механике не решалась.
Для предупреждения повреждений клубней при ударах не обходимо знать закономерности изменения максимального на пряжения в мякоти клубня при различных условиях соударения.
От величины максимального напряжения, от того, насколько оно превосходит предельно допустимое, зависит степень поврежде ния клубней.
Таким образом, анализ состояния вопроса позволил определить задачи исследования.
Вторая глава «Теоретическое исследование процесса дви жения и контактного взаимодействия клубней при калибровании на ленточном сортирующем устройстве» посвящена исследова нию взаимодействия недеформируемых и деформируемых клубней при калибровании.
Поскольку при калибровании мелкий клубень задерживался на транспортере двумя более крупными, в математической модели рас смотрено взаимодействие трех клубней, два из которых опираются на нижний транспортер и движущийся ремень, а третий, более мел кий, опирается на нижний транспортер и первые два (рисунок 2).
Рисунок 2 – Расчетная схема для математической модели Приняты следующие допущения: клубни недеформируемые, имеют сферическую форму;
радиусы больших клубней одинаковые;
малый клубень находится в постоянном контакте с двумя большими в течение всего исследуемого процесса взаимодействия;
в точках ка сания всех клубней с нижним транспортером, а также в точках сопри косновения первого и второго клубней с ремнем нет проскальзывания.
Математическая модель составлена по следующему алгоритму.
1. Введены голономные (геометрические) связи, накладываю щие ограничения на положение системы тел в пространстве:
(х3 – х1)2 + (y3 – y1)2 = R2;
(х3 – х2)2 + (y3 – y2)2 = R2;
(1) z1 = r1 = r;
z2 = r2 = r;
z3 = r3;
y1 = 0;
y2 = 0, где хi, yi, zi – координаты центра масс i-го шара;
ri – радиус i-го шара;
R r1, 2 r3 r1, 2 r3 – проекция расстояния между центрами 2 масс шаров на плоскость XY (рисунок 3).
Рисунок 3 – Расчетная схема для введения голономных связей 2. Введено 11 обобщенных координат:
для первого и второго шаров – координаты центров масс вдоль оси X и три угла Эйлера ( x1, 1, 1, 1, x 2, 2, 2, 2 );
для третьего шара – три угла Эйлера ( 3, 3, 3 ).
3. Введены неголономные (кинематические) связи, наклады вающие ограничения на скорости точек контакта всех трех шаров с поверхностью, а первого и второго шаров – с ремнем (рисунок 4).
Рисунок 4 – Расчетная схема для введения неголономных связей Уравнения неголономных связей:
– для первого и второго шаров V p ( i ) Vc ( i ) ( i ) p ( i ) 0 ;
Vk ( i ) Vc ( i ) ( i ) k ( i ) V ;
(2) – для третьего шара V p 3 Vc 3 3 p 3 0, где V p, Vk – скорости точек контакта с поверхностью и ремнем соот ветственно;
Vc – скорость центра масс тела;
V – относительная ско рость ремня;
– мгновенная угловая скорость тела;
p, k – ради ус-вектора, определяющие положение точек контакта относительно центра масс шара;
i = 1, 2 – индекс тела.
Уравнения неголономных связей спроецированы на координат ные оси и выражены через обобщенные координаты и обобщенные скорости с помощью кинематических уравнений Эйлера. В резуль тате получено 6 дифференциальных уравнений, накладывающих ограничения на скорости тел в точках контакта с наклонной поверх ностью и ремнем.
4. Составлена система дифференциальных уравнений движе ния с множителями Лагранжа:
d T T aik, Qk (3) i dt qk qk i где T – кинетическая энергия системы;
Q – обобщенная сила;
k = 111 – индекс обобщенной координаты;
i = 16 – индекс уравнения неголономной связи;
i – множители Лагранжа;
ik – коэффициенты перед обобщенными скоростями в уравнени ях неголономных связей.
Вместе с уравнениями неголономных связей получена пол ная система из 17 дифференциальных уравнений относительно 17 неизвестных: x 1, 1, 1, 1, x2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Для определения указанных неизвестных система дифференциальных уравнений была численно проинтегрирована с помощью пакета MathCAD.
Основным критерием, согласно которому определялись ско ростной режим работы и конструктивные параметры устройства (угол наклона нижнего транспортера и его длина), было выбрано время разделения клубней. Рациональные параметры устройства должны обеспечивать наименьшее время разделения. В математиче ской модели окончанием процесса разделения считался момент, ког да третий (малый) клубень окажется на одной линии между двумя большими. Чтобы малый клубень смог пройти между двумя больши ми, расстояние между последними должно достигнуть величины *определяемой выражением (рисунок 5):
* 2 (r r3 ) 2 (r r3 ) 2 2r. (4) Рисунок 5 – Условие прохождения малого клубня между двумя большими На рисунке 6 приведены графики изменения расстояния меж ду большими клубнями от времени при различных (V = 0 0,8 м/с) относительных скоростях ремня.
Рисунок 6 – Изменение от времени расстояния между первым и вторым клубнями для угла наклона поверхности = 200 при различных относительных скоростях ремня V, м/c:
1 – 0;
2 – 0,05;
3 – 0,1;
4 – 0,3;
5 – 0,6;
6 – 0, Согласно расчетам, быстрее процесс разделения клубней про изойдет при относительных скоростях ремня 0,1–0,3 м/с (графики 3–4). Увеличение относительной скорости ремня до 0,6–0,8 м/с при водит к замедлению процесса сепарации (графики 5–6). Очевидно, это связано с тем, что при увеличении скорости ремня увеличивает ся скорость движения системы всех трех тел вдоль нижнего транс портера и малому клубню требуется большее время, чтобы изме нить направление своей скорости и начать скатываться вниз. Когда ремень и нижний транспортер движутся с одной скоростью (отно сительная скорость ремня равна нулю), расстояние между первым и вторым клубнями не изменяется, оставаясь равным нулю (график 1), т.е. условий для скатывания третьего клубня не создается и процесс разделения невозможен.
Причина, по которой происходит разделение тел при условии их перекатывания, заключается в том, что в результате воздействия малого клубня на большие постепенно увеличивается скорость пере катывания первого клубня (рисунок 7, график 1) и уменьшается ско рость второго (рисунок 7, график 2), что влечет за собой увеличение расстояния между первым и вторым клубнями и освобождение про странства для прохождения между ними третьего (мелкого) клубня.
а б Рисунок 7 – Изменение скоростей первого (V1) и второго (V2) клубней вдоль оси X от времени при угле наклона поверхности = и относительных скоростях ремня V, м/с: а – 0,1;
б – 0, Причем при относительной скорости ремня 0,1 м/с второй клубень в какой-то момент времени начинает двигаться относительно транспор тера в противоположном направлении (рисунок 7 а, график 2), что яв ляется нежелательным при калибровании. При скорости ремня 0,3 м/с оба клубня перемещаются в одном направлении (рисунок 7 б).
Также, согласно расчетам математической модели, установле но, что при увеличении угла наклона нижнего транспортера с до 600 время разделения клубней уменьшается с 0,65 с до 0,4 с.
Это можно объяснить тем, что при увеличении угла наклона ниж него транспортера возрастает давление малого клубня на большие и, соответственно, увеличивается эффективность его воздействия на них, влияющая на изменение расстояния между большими клубнями.
Перекатывание клубней по поверхности нижнего транспортера может вызвать внутренние повреждения клубней в результате их со ударений, повреждения возможны и при падении отсортированного картофеля в приемный бункер. Для предотвращения повреждений клубней при калибровании необходимо определить максимальное напряжение, возникающее в мякоти клубня при ударных нагрузках и на основании этого вычислить предельные высоты падения и ско рости соударений клубня, не вызывающие разрушения клеток мяко ти и, следовательно, ее потемнения.
Чтобы при определении напряжений в мякоти воспользоваться представлениями классической механики твердого деформируемого тела, в которой материал считается сплошным, однородным и изотроп ным, был выбран представительный объем, т.е. элементарный объем, физико-механические свойства которого представляют собой осред ненные значения свойств всего материала (в данном случае – мякоти).
Введены следующие допущения, позволившие применить для анализа напряженного состояния при ударе теорию упругого контакта Герца:
клубни абсолютно упруги и имеют сферическую форму;
поверхности контактирующих тел гладкие;
деформации сосредоточены в окрест ности области контакта;
волновым движением в телах пренебрегают.
Рассмотрены следующие случаи удара: удар клубня о плоскость, соуда рение двух свободных клубней, удар клубня о поверхность из плотно лежащих клубней. В каждом из рассмотренных случаев определены наиболее опасные, с точки зрения повреждаемости, ситуации.
Согласно теории Герца, максимальное эквивалентное напряжение возникает в точке, лежащей на оси площадки контакта, на глубине, рав ной почти половине (0,48а) радиуса а площадки контакта (внутри клуб ня). Полагаем, что именно эти напряжения над площадкой контакта вы зывают разрушения клеток и, как следствие, потемнение мякоти внутри клубней при ударах. Для рассмотренных выше случаев соударения эта точка находится на глубине 2,5–6,0 мм от поверхности клубня.
Для определения величин максимальных напряжений, возника ющих в окрестности площадки контакта, и для оценки прочностных свойств мякоти клубня, необходимых для расчета допустимых вы сот падения клубней и скоростей их соударений, необходимо знать упругие и прочностные характеристики мякоти (модуль упругости и предел прочности). В связи с отсутствием в литературе систематизи рованных данных о физико-механических свойствах мякоти клубней для различных сортов в зависимости от сроков хранения потребова лось проведение экспериментальных исследований по определению модуля упругости и предела прочности мякоти клубня при сжатии для конкретного сорта семенных клубней после их зимнего хранения.
В третьей главе «Программа и методика проведения экспери ментальных исследований» изложены цели, задачи и методики экс периментальных исследований.
Целью экспериментальных исследований являлась проверка адек ватности разработанной математической модели процесса движения и взаимодействия клубней при калибровании на ленточном устрой стве реальному физическому процессу, уточнение скоростного режима и конструктивных параметров устройства, а также определение харак теристик жесткости и прочности мякоти клубня, необходимых для рас чета допустимых высот падения и скоростей соударения клубней.
Для проверки адекватности математической модели физическо му процессу калибрования в пакете MSC.Adams/View смоделирова на ситуация, рассмотренная в математической модели: система из трех сферических тел калибруется движущимся ремнем (рисунок 8).
Для создания поверхности транспортера, ремня и шаров использова лись трехмерные объекты из библиотеки Adams /View. Помимо ви зуализации моделируемого процесса Adams предоставляет возмож ность проанализировать результаты расчетов при помощи графиков.
Рисунок 8 – Модель калибрующего устройства, созданная в пакете Adams/View Для проверки достоверности разработанной математической мо дели реальному процессу калибрования изготовлена эксперименталь ная установка ленточного сортирующего устройства (рисунок 9).
Рисунок 9 – Фотография экспериментальной установки Нижний транспортер приводится в движение с помощью асин хронного электродвигателя (1) мощностью 1 кВт с понижающим ре дуктором посредством цепной передачи. Частота вращения приводного вала может изменяться за счет комплекта сменных звездочек. Верх ний транспортер приводится в движение посредством приводной станции, включающей в себя асинхронный электродвигатель мощ ностью 2,2 кВт (2) и частотный преобразователь (3) Е2 «Веспер» 4, позволяющий регулировать частоту вращения вала электродвигателя в широком диапазоне. Частота вращения приводного вала верхнего транспортера замерялась и контролировалась тахометром ТЧ-10Р.
Эксперимент, на основании расчетов математической модели, прово дился c относительными скоростями ремня в диапазоне 0,1…0,8 м/с при неподвижном нижнем транспортере. Для считывания координат клубней на поверхность нижнего транспортера приклеивалась мас штабно-координатная бумага. Процесс калибрования записывался на видео с помощью цифрового фотоаппарата Canon PowerShot S13IS.
Время накладывалось уже на видеозапись с помощью программы редактирования видео. Показания координат клубней через каждые 0,03 секунды считывались уже с видеозаписи при покадровом про смотре эксперимента на компьютере.
Рисунок 10 – Схема установки Для определения модуля упругости и предела прочности мякоти клубня при сжатии создана установка на базе прибора ТК-14-250 для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла (рисунок 10). На стол (1) прибора ТК-14-250 установлен динамометр (2) с пределом измеряемых усилий от 2 до 200 Н. Два индикатора часового типа (А) с ценой деления 0,01 мм, прикре пленные к динамометру, отградуированы для измерения усилий.
На площадку динамометра устанавливается образец (3), вырезан ный из мякоти клубня. Подъемный винт (4) служит для подвода образца к наконечнику (5) и для последующего сжатия образца.
Наконечник соединен с пружиной (6), величина сжатия которой из меряется индикатором (В) с ценой деления 0,002 мм. Величину пе ремещения рабочего стола измеряет индикатор часового типа (С), цена деления которого 0,01 мм. Согласно ГОСТ 4651-82, испыта ния проводились на образцах цилиндрической формы, вырезан ных из мякоти клубней сорта Невский при помощи специальных приспособлений-шаблонов. По результатам сжатия образца строи лась диаграмма деформирования, по которой определялись модуль упругости E и предел прочности образца в.
Результаты экспериментов обрабатывались методами матема тической статистики.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных иссле дований» представлены результаты экспериментальных исследо ваний.
Сравнение результатов математической модели и моделирова ния процесса калибрования в пакете MSC.Adams/View представле но на рисунке 11. Разработанная математическая модель достаточно адекватно описывает поведение клубней при калибровании на ис следуемом устройстве. Максимальная относительная погрешность двух расчетов не превышает 9%.
Рисунок 11 – Сопоставление результатов математической модели и модели в пакете Adams/View при расчете графиков движения первого (кривая 1), второго (кривая 2) и третьего (кривая 3) шаров вдоль оси X (угол наклона поверхности = 200, скорость ремня V = 0,3 м/с) В результате экспериментальных исследований взаимодей ствия трех клубней на ленточном сортирующем устройстве получе ны зависимости координат клубней от времени при различных отно сительных скоростях ремня, по которым можно судить о характере движения клубней при их калибровании.
«Несовершенство» формы реальных клубней приводит к тому, что в результате их взаимодействия при калибровании на экспери ментальной установке происходит разрыв контакта между клубня ми. В результате этого третий (малый) клубень начинает «подпры гивать» на двух больших, тем самым оказывая импульсное воздей ствие на большие клубни, которое является более эффективным, так как уже имеет динамический характер. Поэтому в действительности расстояние между большими клубнями увеличивается несколько быстрее, чем было рассчитано с помощью математической модели (рисунок 12 а).
а б Рисунок 12 – Сопоставление результатов эксперимента и теоретических расчетов (угол наклона поверхности = 200, скорость ремня V = 0,35 м/с):
а – изменение расстояния между большими клубнями () с течением времени;
б – зависимость от времени положения (вдоль транспортера) третьего клубня (х3) Однако, в отличие от математической модели, малый клу бень в этот момент времени может оказаться не на одной линии с большими клубнями, а несколько выше, и ему необходимо еще некоторое время, чтобы скатиться вниз. На рисунке 13 представ лены экспериментально полученные зависимости, демонстриру ющие влияние относительной скорости ремня на время образо вания зазора, достаточное для прохождения третьего клубня, и на время, необходимое, чтобы третий клубень занял это простран ство, т.е. оказался между двумя большими. Для скоростей ремня 0,25…0,8 м/с время отделения клубней, рассчитанное математи ческой моделью, укладывается в диапазон времени 0,4…0,7 с, полученный экспериментально. Относительная скорость ремня, при которой калибрование происходит быстрее, лежит в диапа зоне 0,3…0,6 м/с.
Рисунок 13 – Изменение времени, необходимого для образования зазора, достаточного для прохождения малого клубня (график 1), и времени, необходимого для разделения клубней (график 2) от различных относительных скоростей ремня V О длине пробега системы клубней до разделения можно судить по зависимости от времени положения третьего клубня вдоль транс портера (рисунок 12 б). Длина пробега системы клубней до полного разделения для относительных скоростей ремня 0,3…0,6 м/с находит ся в диапазоне 0,03…0,08 м. На основе этих данных были выработаны рекомендации по длине рабочей части нижнего транспортера.
Экспериментальные исследования влияния угла наклона ниж него транспортера на процесс калибрования клубней на ленточном сортирующем устройстве показали, что при углах наклона свыше 200 происходит расклинивание ремней клубнями, и процесс кали брования нарушается.
Действительный коэффициент точности сортирования данного устройства составил 75…80%, что на 10…15% больше, чем у из вестных устройств ременного типа (68%), и не уступает точности барабанных и роликовых калибраторов (75%). Удельная производи тельность устройства – 1,00 ±0,25 т/(ч·м).
Построенные для определения характеристик жесткости и проч ности мякоти клубня диаграммы деформирования представлены на рисунке 14.
Рисунок 14 – Диаграммы деформирования нескольких образцов В результате проведенных испытаний, после статистической обработки, для дальнейших расчетов можно принять для мякоти клубней картофеля сорта Невский: модуль упругости – Е = 2,60 ± 0,15 МПа, предел прочности – в = 0,83 ± 0,04 МПа. На основе по лученных характеристик были определены напряжения при описан ных выше случаях удара и рассчитаны допустимые высоты падения клубней и скорости их соударения.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Анализ существующих устройств для калибрования карто феля показал, что наиболее приемлемыми для калибрования семен ных клубней являются устройства с ременными рабочими органами, так как они, в отличие от других устройств, практически не повреж дают клубни. Недостатком, сдерживающим широкое применение данных устройств, является сравнительно невысокая точность ка либрования, что обусловлено несоответствием их технологических и конструктивных параметров требованиям процесса.
2. Разработана математическая модель, которая описывает процесс движения и взаимодействия клубней при калибровании их ленточным сортирующим устройством и позволяет исследовать вли яние режима работы и конструктивных параметров данного устрой ства на процесс калибрования картофеля.
3. Использование математической модели процесса дви жения и взаимодействия клубней на ленточном сортирующем устройстве позволило установить, что наиболее качественно про цесс калибрования осуществляется при относительной скорости ремней V = 0,3…0,6 м/с и угле наклона нижнего транспортера = 30…600.
4. Установлено, что при соударении двух клубней наиболее опасными, с точки зрения повреждаемости, являются соударения двух клубней одинакового радиуса при их перекатывании по кали брующей поверхности и падение клубня на клубень меньшего ра диуса, лежащий в бункере приема. При падении клубня на ровную поверхность контактное давление, а следовательно, напряжения в мякоти не зависят от размеров и массы клубня, а зависят от его плотности.
5. Установлено, что использование пакета Adams/View для моде лирования процесса движения и взаимодействия клубней на поверх ности ленточного сортирующего устройства позволяет проверить адекватность математической модели реальному процессу калибро вания клубней картофеля данным устройством и визуализировать процесс калибрования клубней. Расхождение расчетов двух методов не превышает 9%.
6. Экспериментальными исследованиями установлены следу ющие рациональные параметры работы ленточного сортирующего устройства: относительная скорость ремней – 0,3…0,6 м/с;
угол наклона нижнего транспортера – 15…200 (при увеличении угла наклона происходит расклинивание ремней клубнями);
при реко мендуемых относительных скоростях ремней и скорости нижнего транспортера 0,15 м/с, длина его рабочей части (от начала подачи до бункеров приема крупной и средней фракций) должна быть не менее одного метра.
7. Установлены физико-механические характеристики карто феля сорта Невский (после зимнего хранения): модуль упругости – Е = 2,60 ± 0,15 МПа, предел прочности – в = 0,83 ± 0,04 МПа.
На основе этого для данного сорта рассчитаны допустимые скорости соударения и высоты падения клубней, не вызывающие внутренних повреждений мякоти: скорость соударения двух клубней одинаково го радиуса при перекатывании – 3,8…5,0 м/с;
высота падения клуб ня на деревянную и стальную поверхность – 0,18…0,33 м;
высота падения клубня на клубень одинакового с ним радиуса, лежащий в бункере приема (несвободный клубень), – 0,37…0,66 м.
8. Лабораторные и производственные испытания показали, что процесс калибрования картофеля ленточным сортирующим устрой ством с предложенными технологическими и конструктивными па раметрами позволит повысить точность калибрования на 10…15% и уменьшить повреждаемость клубней.
9. Калибрование клубней картофеля ленточным сортирующим устройством, при его производительности 1,00 ±0,25 т/(ч·м), позволяет получить годовой экономический эффект от снижения эксплуатацион ных затрат и уменьшения повреждения клубней в размере 32 670 ру блей (в ценах 2010 года) при годовой загрузке устройства 250 тонн.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Саврасова, Н. Р. Анализ контактного динамического взаимодействия клубня картофеля с поверхностью [Текст] / Н. Р. Саврасова // Известия Са марского научного центра Российской академии наук. – 2010. – Т. 12 (33). – № 1 (2). – С. 493–498.
2. Саврасова, Н. Р. Математическое моделирование движения и взаи модействия клубней картофеля на поверхности ленточного сортирующего устройства [Текст] / А. М. Плаксин, Н. Р. Саврасова // Вестник КрасГАУ. – 2010. – № 12. – С. 122–127.
Публикации в других изданиях 1. Саврасова, Н. Р. Дифференциальные уравнения движения клуб ня картофеля, имеющего две точки опоры относительно ленточного транспортера [Текст] / О. В. Гордеев, Н. Р. Саврасова // Вестник Челябинского государственного агроинженерного университета. – 2005. – Т. 46. – С. 61–64.
2. Саврасова, Н. Р. Дифференциальные уравнения движения клубня картофеля, имеющего две точки опоры относительно ленточного транс портера устройства для отделения крупных клубней картофеля [Текст] / О. В. Гордеев, Н. Р. Саврасова // Селекция, семеноводство и технология плодово-ягодных культур и картофеля : сб. науч. тр. к 75-летию ин-та / ГНУ «Южно-Уральский НИИ плодоовощеводства и картофелеводства». – Челябинск, 2006. – Т. VIII. – С. 222–229.
3. Саврасова, Н. Р. Математическая модель движения шарообразных тел вдоль сепарирующей ленты транспортера [Текст] / Н. Р. Саврасова // Вестник Челябинского государственного агроинженерного университета. – 2008. – Т. 53. – С.100–115.
4. Саврасова, Н. Р. Виртуальное моделирование движения клубня картофеля на ленточном транспортере сортирующего устройства [Текст] / Н. Р. Саврасова // Материалы XLVIII международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» / ЧГАУ. – Челябинск : ЧГАУ, 2009. – Ч. 3. – С. 38–43.
5. Саврасова, Н. Р. Моделирование движения системы трех тел сфериче ской формы с использованием современных компьютерных методов [Текст] / Н. Р. Саврасова // Экономика и производство : сб. науч. тр. / РАЕН региональное отделение ;
Челябинский ЦНТИ. – Челябинск : ЧРО РАЕН, 2009. – С. 137–152.
6. Саврасова, Н. Р. Математическая модель процесса сепарации ша рообразных тел [Текст] / Н. Р. Саврасова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – Спец. вып. : Актуальные проблемы ма шиностроения. – 2009. – С. 229–234.
7. Саврасова, Н. Р. Математическое и имитационное моделирование в пакете ADAMS процесса сепарации шарообразных тел [Текст] / Н. Р. Сав расова // Проблемы механики современных машин : материалы четвертой международной конф. / Восточно-Сибирский гос. технол. ун-т. – Улан-Удэ :
Изд-во ВСГТУ, 2009. – Т. 3. – С. 122–125.
8. Саврасова, Н. Р. Основные принципы сортирования клубней кар тофеля : состояние вопроса и постановка задачи [Текст] / Н. Р. Саврасова // Вестник Челябинского государственного агроинженерного университета. – 2009. – Т. 54. – С. 87–98.
9. Саврасова, Н. Р. Ресурсный потенциал земледелия и пути его эффек тивной реализации [Текст] / А. М. Плаксин, А. П. Зырянов, М. В. Пятаев, Н. Р. Саврасова // Достижения науки и техники АПК. – 2010. – № 10. – С. 54–56.
10. Пат. 2296628 Российская Федерация, МПК В 07 В 1/10, В 07 В 13/04. Устройство для сортирования предметов округлой формы [Текст] / О. В. Гордеев, В. В. Бледных, В. А. Жилкин, Н. Р. Саврасова;
патентооблада тель ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный ун-т». – № 2005133527/03 ;
заявл. 31.10.2005 ;
опубл. 10.04.2007, Бюл. № 10.
Подписано в печать 14.03.2011 г. Формат 60х84/16.
Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина,