Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и обоснование основных направлений исследований 9
1.1. Основные факторы, влияющие на качество очистки корнеплодов 9
1.2. Анализ способов и технологических средств очистки кормовых корнеплодов 13
1.3. Цели и задачи исследований 26
Глава 2. Теоретическое исследование процесса отделения почвы с поверхности корнеплода 28
2.1. Модель функционирования барабанно-щеточного очистителя корнеплодов 28
2.2. Обоснование схемы щеточного очистителя 30
2.3. Механика процесса очистки щеткой 33
2.4. Условие самоочистки щеток 35
2.5. Обоснование диаметра барабана устройства для сухой очистки корнеплодов 36
2.6. Обоснование угла установки щеток на барабане устройства для сухой очистки корнеплодов 37
2.7. Определение критической частоты вращения барабана 42
2.8. Определение оптимальной частоты вращения барабана устройства для сухой очистки корнеплодов 43
2.9. Динамика прутка щетки 48
2.10. Определение мощности привода рабочего органа барабанно-щеточного очистителя 54
2.11. Определение мощности привода барабана барабанно-щеточного очистителя 57
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 61
3.1. Объект исследований и задачи эксперимента 61
3.2. Методика определения физико-механических свойств корнеплодов 63
3.3. Определение основных факторов, влияющих на качество очистки и энергетические показатели устройства для сухой очистки корнеплодов 65
3.4. Методика проведения экспериментов, приборы и оборудование для исследований 66
3.5. Методика обработки экспериментальных данных 71
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 74
4.1. Результаты лабораторных исследований устройства для сухой очистки корнеплодов 74
4.2. Оптимизация параметров рабочего процесса устройства для сухой очистки корнеплодов 83
4.3. Разработка и изготовление экспериментального образца устройства для сухой очистки корнеплодов 91
4.4. Исследования оптимизированного образца устройства для сухой очистки клубнеплодов 95
4.5. Реализация результатов теоретических исследований 101
4.5.1. Определение коэффициента динамичности 101
4.5.2. Определение диаметра барабана 103
4.5.3. Определение угла установки щеток на барабане 103
4.5.4. Определение критической частоты вращения барабана... 103
4.5.5. Определение требуемой частоты вращения барабана 104
4.6. Проведение сравнительных экспериментов 105
Глава 5. Оценка экономической и энергетической эффективности применения барабанно-щеточного очистителя 108
5.1. Расчет технико-экономических показателей барабанно-щеточного очистителя 108
5.2. Энергетический анализ барабанно-щеточного очистителя 115
Выводы и предложения 120
Список использованной литературы 122
Приложения 133
- Основные факторы, влияющие на качество очистки корнеплодов
- Обоснование угла установки щеток на барабане устройства для сухой очистки корнеплодов
- Определение основных факторов, влияющих на качество очистки и энергетические показатели устройства для сухой очистки корнеплодов
- Результаты лабораторных исследований устройства для сухой очистки корнеплодов
Введение к работе
На современном этапе развития сельского хозяйства большое внимание уделяется интенсификации производства продукции животноводства, которая в свою очередь требует создания новейшего оборудования, применение новых технологий на основе современных достижений науки и техники.
В процессе производства и приготовления кормов важное место занимает использование различных кормовых смесей с применением в качестве компонента кормовых корнеплодов. Кормовые корнеплоды повышают продуктивность животных, так как содержат много витаминов, сахара и микроэлементов. В суточном рационе коров можно включать до нескольких десятков килограммов кормовых корнеплодов и добиваться при этом высоких надоев. Однако, как правило, доля кормовых корнеплодов в суточном рационе коров не превышает нескольких килограммов из-за ограниченных запасов кормовых корнеплодов на ферме, так как кормовые корнеплоды требуют больших трудозатрат при их заготовке и подготовке их к скармливанию.
Одной из основных операций при подготовке кормовых корнеплодов к скармливанию является их очистка от почвы. Загрязненность корнеплодов, колеблющаяся в пределах 7...28%, можно классифицировать на группы: тяжелые примеси (камни, куски металла и т.п.), связанная почва и легкие примеси (солома, растительные остатки [49, 83, 91]).
Исследования показали, что использование неочищенных от почвы кормовых корнеплодов ведет к желудочным заболеваниям животных, резкому снижению продуктивности скота. В связи с этим вопросу очистки кормовых корнеплодов от примесей уделяется большое внимание.
Очистка от загрязнений является одной из самых трудоемких операций. В настоящее время в сельском хозяйстве для очистки кормовых корнеплодов используются машины, работающие по принципу
гидромеханической очистки (мойки): ИКМ-5, ИКС-5М, ИКМ-Ф-10 и др. однако эти машины обладают рядом существенных недостатков. При поступлении с поля корнеплодов, имеющих повышенную загрязненность, увеличивается расход воды (до 400 литров на тонну перерабатываемых корнеклубнеплодов), снижается производительность машин почти'в два раза, в кормоцехе необходимо применение дорогостоящих грязеотстойников и надежно работающей системы канализации; вместе со сточными водами выносится плодородный слой почвы, налипшей на корнеплодах, в моечной ванне травмируется до 6% продукта, необходимо применение дополнительных электрообогревателей, что влечет за собой повышение энергозатрат [8, 18, 26, 28, 38, 65].
Решение данной проблемы содержит в себе источник большой экономии в сельском хозяйстве страны и может быть обеспечено за счет совершенствования существующих машин или создания новых.
В связи с этим возникает необходимость разработки нового эффективного устройства, лишенного вышеперечисленных недостатков и имеющего более широкие технологические возможности.
Целью данной работы является повышение эффективности очистки кормовых корнеплодов от загрязнений путем разработки барабанно-щеточного очистителя и исследование влияния различных факторов на качественные и энергетические показатели его работы.
Исследования проводились с учетом опыта научных и практических работ в нашей стране и за рубежом. В процессе исследований проводилась оценка условий эксплуатации машины, качества выполняемой работы, состояния поступаемой и готовой продукции. В работе изучались разные конструктивно-технологической схемы машин, рассчитывались технико-экономические параметры.
Объект исследования - технологический процесс очистки кормовых корнеплодов от почвенных примесей барабанно-щеточным очистителем.
7
Предмет исследований - закономерности изменения качественных и
энергетических показателей процесса очистки кормовых корнеплодов от
h .t режимов работы очистителя, а так же процесс движения корнеплода при его
?.
~~ взаимодействии с рабочими органами барабанно-щеточного очистителя.
При проведении исследований предложена и обоснована конструкция устройства для сухой очистки кормовых корнеплодов . Установлены статистические и динамические характеристики процессов при работе устройства в реальных условиях эксплуатации, определены оптимальные параметры и режимы работы, рассчитаны математические модели рабочего процесса. Получены экспериментальные подтверждения теоретических разработок.
В результате разработан и изготовлен опытный образец устройства для сухой очистки кормовых корнеплодов, который внедрен в СХПК колхоз имени "Ленина" Чебоксарского района Чувашской Республики [Приложение
7].
На защиту выносятся следующие основные положения:
обоснование способа сухой очистки кормовых корнеплодов;
конструктивно-технологическая схема устройства для сухой очистки корнеплодов;
(? 3. механика процесса очистки корнеплода, динамика прутка щетки,
> а также действие роторной щетки на кормовые корнеплоды;
математическая модель рабочего процесса сухой очистки, анализ которой позволил получить оптимальные параметры устройства для сухой очистки кормовых корнеплодов;
эффективность применения устройства для сухой очистки
кормовых корнеплодов;
Основные положения работы доложены и обсуждены на научных
^ конференциях Чувашской государственной сельскохозяйственной академии
(2002...2004 гг.).
* патент №2071643, авторы П.В.Зайцев и Г.М. Новикова.
%
t х
%
:
Материалы исследований опубликованы в 7 печатных работах. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 43 рисунка, 13 таблиц и 8 приложений.
Основные факторы, влияющие на качество очистки корнеплодов
В ВИЭСХ разработан барабанно-щеточный очиститель [34, 89, 90, 91], состоящий из установленного на опорных роликах цилиндрического барабана со спиральной обрешеткой, внутри которого эксцентрично размещена щетка, вращающаяся навстречу барабану (рис. 1.4.2). Скорость вращения щетки составляла 150 мин"1, барабана - 30 мин"1, эксцентриситет щетки по отношению к барабану - 11 мм. Производительность очистителя менялась путем изменения угла наклона продольной оси барабана к горизонту от 0 до 12 через 3. Однако примененная щетка большого диаметра не обеспечивала удаление почвы из канавок корнеплодов и эффект очистки оказался невысок - 50%.
Наиболее удачная подобная машина была создана в ОКБ СибНИИСХОЗа [16]. Рабочий орган машины представляет собой вращающийся сетчатый барабан, внутри которого размещена щетка, вращающаяся в том же направлении, но с большей скоростью (рис 1.4.3). В очистителе предусмотрена регулировка зазора между щеткой и барабаном как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Производительность машины достигает 10 т/ч. При начальной загрязненности вороха 12% остаточная загрязненность составила 1.5%. Однако данные очистители не нашли широкого применения в сельском хозяйстве из-за низкой разделяющей способности очищаемого вороха. Для наглядного сравнения показатели работы оборудования для очистки корнеплодов от примесей представлены в таблице 1.4. Таблица 1.4 Показатели работы оборудования для очистки корнеплодов Из таблицы видно, что лучшие показатели очистки имеют барабанно-щеточные рабочие органы: общее отделение примесей - 73%, свободной почвы - 57%, связанной почвы - 47% при минимальной повреждаемости корнеплодов 1.06%. Кроме того, достоинствами таких очистителей являются надежность конструкции, активное воздействие щеток на обрабатываемый материал. Сухой очисткой корнеплодов занимаются многие зарубежные фирмы [27, 95, 107, 108, 109, ПО, 111, 113, 115]. Одна из первых машин сухой очистки была изобретена в Германии в 30-х годах [85]. Свеклорезка "Лобенсверт 1" состояла из двух барабанов, вращающихся в противоположные стороны. Барабаны, вращаясь, прижимали корнеклубнеплоды к планкам бункера машины и счищали землю. Очиститель корнеплодов фирмы Карл Мюллер "СМУ" имел один барабан длиной 1.5 м и диаметром 300 мм для очистки корнеплодов и один измельчающий барабан. Однако из-за недоработки конструкции потеря массы корнеплодов в этой машине превышала допустимые нормы. К барабанным очистителям относятся также корнеклубнемойка ПБ1500, разработанная в Чехословакии [83] в 50-х годах и машина более позднего выпуска PRU-20. Основными рабочими органами данных устройств является моечный барабан и барабан для сухой очистки, где за счет интенсивного перетирания корнеплодов о планки барабана и друг о друга отделяется до 40% загрязнений. В Германии в основном вибрационные, битерные, кулачковые и /\4f щеточные очистители [108, 109, ПО, 111, 113]. Вибрационные и битерные очистители нашли применение на картофелеуборочной технике. А для подготовки материала на хранение широкое распространение получили щеточные рабочие органы. Для использования щеточных рабочих органов были разработаны две машины. В одной рабочим органом для сухой очистки были использованы цилиндрические щетки, а у другой - циркулирующий щеточный транспортер. На этих устройствах были испытаны влияние размера частиц глинистой супеси, пыли и пылевотого суглинка. При проведении испытаний было выяснено, что интенсивность очистки в среднем достигла 68.1%. На обоих машинах была исследована работа цилиндрических щеток с 12 элементами очистки, длиной щетины 25 мм. Перед щетками устанавливалось устройство предварительной очистки, состоящее из 4 гладких валков и 4 валков с резиновыми пальцами, которые отделяют свободную почву. Таким образом, из многообразия существующих способов и средств очистки корнеплодов от примесей следует выделить очистители, рабочие органы которых содержат упругие элементы. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на разработку рабочих органов очистителей с упругими элементами (щетками). При разработке новых машин для подготовки корнеплодов к скармливанию необходимо изучить физико-механические свойства почвы, так как согласно исследований академика В.П. Горячкина [18, 23] почва в зависимости от влажности и механического состава находится в трех фазах: твердой, пластичной и текучей. В.А. Приклонский [7] дает следующую классификацию почвогрунтов (табл. 1.5). При анализе таблицы можно сделать вывод, что почва прилипает к корнеклубнеплодам, когда находится в липко-пластинчатом состоянии. Чтобы очистить корнеплод от налипшего грунта, необходимо приложить определенную силу, которая бы разрушала или соскабливала \ почву с поверхности корнеплода [64, 90].
Обоснование угла установки щеток на барабане устройства для сухой очистки корнеплодов
Исследования по определению факторов, влияющих на качество очистки и энергопоказатели, проводились в производственных условиях СХПК им. Ленина Чебоксарского района Чувашской Республики в 2001...2003 гг.
В процессе исследований были выявлены следующие факторы. Частота вращения щеток является одним из основных факторов, так как с ее увеличением возрастает сила удара ворса щеток на обрабатываемый корнеплод. Для определения влияния частоты вращения роторной щетки нами были приняты нижний уровень варьирования - 60 мин 1, а верхний — 180 мин"1. Частота вращения барабана также оказывает значительное влияние на показатели работы машины. При повышении влажности связанной почвы частота вращения барабана должна быть пониженной, так как обрабатываемый продукт должен находиться в зоне очистки более длительное время. Однако снижение частоты вращения барабана оказывает влияние на производительность агрегата. В тоже время необходимо ЇЛ приспосабливаться к механизированной подаче существующих загрузочных \д средств (ТК-5Б или ТЗК-30). Для определения оптимальных значений частоты вращения барабана нами были приняты: нижний уровень варьирования - 10 мин"1, верхний уровень - 20 мин"1. В зависимости от сил трения и скатывания были учтены следующие факторы: угол наклона щеток на роторе и угол поворота щеток вокруг горизонтальной оси барабана по ходу вращения последнего. Уровни і варьирования факторами для угла поворота щеток на роторе и вокруг оси барабана приняли: нижний - 0, верхний - 20. Немаловажную роль в повышении качества очистки корнеплодов от связанной почвы играет длина очистительных элементов (роторной щетки и барабана). Этот фактор имеет особое значение при повышенной влажности почвы и начальной загрязненности клубня. Нами были приняты следующие уровни варьирования: нижний -1.5 м, верхний — 2 м. Методика проведения экспериментов, приборы и оборудование для исследований Активный эксперимент проводился по методике планирования экспериментов [53]. В процессе проведения экспериментальных исследований оценивались вышеуказанные факторы: частота вращения роторной щетки, частота вращения барабана, угол наклона щеток на роторе, угол поворота щеток вокруг оси барабана, длина щеток. В качестве критериев оптимизации были приняты: качество очистки корнеплодов Sn удельные энергозатраты на единицу степени очистки Э. Предложенный нами фактор удельных энергозатрат на единицу степени очистки определяет отношение потребляемой на очистку мощности к производительности устройства и качеству очистки корнеплодов, то есть, применяя данный показатель, можно определить, какая мощность расходуется на единицу степени очистки. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем [40, 72, 81, 82] (рис. 3.2). С поля после уборки самосвальными транспортными средствами привозились корнеплоды и загружались в приемный бункер транспортера-загрузчика корнеплодов ТЗК-30 и ТК-5. Перед проведением экспериментов определялась влажность почвы, физико-механические характеристики корнеплодов. Исследуемое устройство настраивается на соответствующий режим работы. Подача корнеплодов осуществлялась Y - транспортером-загрузчиком ТКЗ-30 и регулировалась в заданных пределах iX, путем безостановочной работы ленточного транспортера, образующего дно приемного бункера.
Определение основных факторов, влияющих на качество очистки и энергетические показатели устройства для сухой очистки корнеплодов
Экспериментальные исследования устройства для сухой очистки проводились на Клычевской МТФ в "СХПК колхоз им. Ленина" Чебоксарского района ЧР. У экспериментального образца были предусмотрены изменения частот вращения роторной щетки - 100 и 180 мин"1 и частоты вращения барабана -15 и 17 мин"1. Опыты проводились на кормовой свекле, картофеле, выращенных на различных почвах: суглинке, торфянике. Целью исследования было изучение влияния загрязненности и влажности связанной почвы на эффективность очистки корнеплодов. При проведении исследований влажность почвы колебалась в различных случаях от 19 до 38%, загрязненность корней связанной почвой от 3 до 25%. На рисунке 4.13 представлены зависимости остаточной загрязненности от исходной загрязненности при различных типах почвы. Из полученных зависимостей видно, что с увеличением исходной загрязненности возрастает остаточная загрязненность корнеплодов. Это наиболее наглядно выражено у кормовой свеклы, выращенной на суглинистых почвах (кривая 2). После очистки устройством загрязненность свеклы не превысила допустимых требований по остаточной загрязненности, предусмотренных стандартом [84]. На рисунке 4.14 представлены зависимости остаточной загрязненности картофеля, выращенной на супеси от исходной загрязненности. Аналогично, как у свеклы, наблюдается рост остаточной загрязненности при увеличении исходной загрязненности. Однако остаточная загрязненность не превышает 3%, что соответствует зоотребованиям по готовому продукту. кормовой свекле. При анализе наблюдаем, что при увеличении начальной nзагрязненности нарастает эффект очистки (аисх=5...15%). При начальной загрязненности выше 15% наблюдается некоторое снижение эффекта очистки. Это связанно с тем, что при начальной загрязненности до 5% вся связанная почва располагается в канавках и впадинах корней, где она трудно отделима. С увеличением начальной загрязненности с 5 до 15% интенсивный рост эффекта очистки объясняется тем, что в первую очередь удаляется почва, расположенная на ровной и гладкой поверхности корня, где она имеет меньшие силы сцепления и полностью подвергается обработке Ж очистительными элементами. При влажности связанной почвы до 25% эффект очистки практически постоянен и влажность, находящаяся в пределах от 20 до 25% большего влияния на качество очистки не оказывает. С увеличением влажности связанной почвы более 25% наблюдается резкое снижение эффекта очистки. Это объясняется тем, что с увеличением влажности связанной почвы увеличивается сила сцепления почвы с корнем. При достижении почвы определенной влажности 30...40% [7] отрыва почвы практически не lU- происходит, а наблюдается размазывание почвы по поверхности корня. Кроме того, с увеличением влажности связанной почвы происходит слипание корнеплодов, что требует больших усилий для их разъединения. При проведении исследований было отмечено, что корнеплоды, выращенные на суглинке, требуют значительно больших усилий для очистки, чем корнеплоды, выращенные на песке и торфянике. При проведении опытов по определению влияния влажности связанной почвы на качество очистки корнеплодов было установлено, что увеличение У влажности влечет за собой снижение качества очистки и требует увеличения { і; прикладываемой силы, действующей на очищаемую поверхность.
Результаты лабораторных исследований устройства для сухой очистки корнеплодов
Эффективность очистки корнеплодов во многом зависит от физико-механического состава связанной почвы и исходной загрязненности обрабатываемого продукта. При этом качество очистки, допустимое зоотехническим требованиям, можно получить лишь при активном воздействии на корни очистительных рабочих органов устройства. Основными рабочими органами устройства для сухой очистки являются роторная щетка и барабан транспортирующий (рис. 4.1). Основные параметры устройства для сухой очистки: диаметр барабана D6 приняли равным 1 м, диаметр роторной щетки Dm - 0,5 м, количество рядов щеток z - 6, частота вращения роторной щетки пщ - 100 мин"1, длина щетки Ьщ - 2 м. I ! 1 Для установления влияния различных факторов на качество очистки, а также для определения оптимальных параметров устройства для сухой очистки были проведены лабораторные исследования ее рабочего процесса. Корнеплоды поступали с поля после уборки. Загрязненность корней связанной почвой составляла 16...19 %, влажность связанной почвы Л находилась в приделах 18...22 %. В процессе проведения лабораторных исследований были определены основные факторы, влияющие на качество очистки корнеплодов. К таким факторам относятся: длина Ьщ и частота вращения щеточного ротора пщ, частота вращения барабана Пб, угол установки щеток на барабане аб, угол установки щеток на поверхности ротора си. Физико-механические свойства корнеплодов и показатели работы устройства определялись согласно методике, изложенным в главе 3. Все опыты проводились в трехкратной повторности. На рисунке 4.2 представлены зависимости остаточной загрязненности корнеплодов аост от частоты вращения щеток при различной степени исходной загрязненности сисх связной почвой, которые показывают, что для достижения высокого качества очистки продукта необходимо увеличить силу удара ворса щеток об обрабатываемую поверхность, которая достигается путем увеличения частоты вращения щеток. Из графиков видно, что при не вращающихся щетках допустимое качество очистки наблюдается лишь при начальной загрязненности до 7,5 %. При увеличении частоты вращения до 120 мин и 180 мин"1 остаточная загрязненность аост корнеплодов находится в допустимых пределах. Однако необходимо отметить, что при частоте вращения щеток 180 мин 1 наблюдается увеличение энергозатрат и возрастает травмирование корней. На рисунке 4.3 представлены зависимости остаточной загрязненности аост от исходной загрязненности аисх при различной длине очистительных элементов. Анализ показывает, что увеличение длины элементов качественно влияет на остаточную загрязненность. Это связано с тем, что с увеличением длины щеток увеличивается время нахождения корнеплодов в зоне очистки и, соответственно, увеличивается время обработки корней.
Изменение частоты вращения роторной щетки осуществлялось при помощи мотор-редуктора с фазным электродвигателем (рис. 4.4), а изменение длины щеток на роторе осуществлялось заменой их на другие.
На рисунке 4.5 представлены зависимости эффективности очистки корнеплодов от влажности связанной почвы при различных частотах вращения барабана. При анализе полученных кривых видно, что при частоте вращения барабана 20 мин эффективность очистки с ростом влажности связанной почвы практически не меняется. Это объясняется тем, что при данной частоте вращения барабана корнеплоды находятся достаточно длительное время в зоне очистки, что позволяет качественно очищать продукт. С уменьшением частоты вращения барабана качество очистки снижается, особенно с увеличением влажность связанной почвы выше 25 %.
