Совершенствование процесса сухой очистки корнеплодов шнековым сепаратором

Предложена конструктивно технологическая схема очистителя корнеплодов. Приведены теоретические и экспериментальные исследования процесса очистки корнеплодов. Обоснованы основные конструктивно-режимных параметров предлагаемого очистителя Ключевые слова: КОРНЕПЛОДЫ, АНАЛИЗ, СЕПАРИРУЮЩЕЕ-ОЧИСТИТЕЛЬНЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, ПОЛЕЗНАЯ МОЩНОСТЬ МЕТОДИКА, ЭКСПЕРИМЕНТ В процессе производства и приготовления кормов важное место занимает использование различных кормовых смесей с применением в качестве компонента корнеплодов. Корнеплоды повышают продуктивность животных, так как содержат много витаминов, сахара и микроэлементов. Корнеплод как кормовая культура в последнее время привлекает все большее внимание хозяйств Краснодарского края. В среднем в корнеплодах содержится 23% сухого вещества, из которых 12% составляет сахар. Использование в рационах кормление корнеплода в позволяет повысить продуктивность животных в среднем до 15% .

Одной из основных операций при подготовке корнеплодов к скармливанию является их очистка от почвы. Загрязненность корнеплодов, колеблющуюся в пределах 7…28%, можно классифицировать на группы: тяжелые примеси (камни, куски металла и т. п.), связанная почва и легкие примеси (солома, растительные остатки).

Решение данной задачи содержит в себе источник повышения продуктивности животных, повышения ресурсосбережения и может быть обеспечено за счет совершенствования существующих машин или разработки новых Цель исследованиясовершенствование процесса сухой очистки корнеплодов с разработкой ресурсосберегающего шнекового сепаратора и обоснования его конструктивно — режимных параметров.

В настоящее время существуют поточные линии послеуборочной обработки корнеплодов, которые содержат сепарирующие и сортировочные рабочие органы, что повышает металлоемкость и энергоемкость процесса послеуборочной обработки корнеплодов. В связи с этим создание рабочего органа, который бы обеспечивал отделение почвы и других примесей от клубней и их разделение на необходимые фракции, с качеством, соответствующим требованиям, является задачей актуальной и требующей своего решения.

Анализ существующих поточно-технологических линий очистки корнеплодов и технических средств показал, что они энергои металлоемки.

Выявлены пути совершенствования технологических средств для сухой очистки корнеплодов, в основу которых положен принцип последовательного разрушения комков при их одновременном поступательном и вращательном (вокруг своей оси) движении. Процесс очистки реализуется очистителем шнекового типа с навивкой в виде полусфер, обеспечивающим высокое качество очистки при снижении энергоемкости и затрат труда на выполнение процесса [1,2].

На основании вышеизложенного, разработан очиститель корнеплодов, который осуществляет сухую очистку корнеплодов и их сепарацию (рисунок 1). Очиститель состоит из: цепно-планчатого транспортера 1, засыпной горловины 2, двух параллельно расположенных шнеков 3 с навивкой, выполненной во встречном направлении друг к другу. Навивка представляет собой шарики 4 закрепленные на осях 5, которые перпендикулярно закреплены к горизонтальной поверхности шнеков 3 и располагаются в отверстиях выполненных в виде полусфер, при этом имеют возможность вращения вокруг своей оси, с целью предотвращения повреждения корнеплодов и более качественной очистки. Шаг витков шнеков различен, и имеет соотношение 1:1,5 шага первого шнека к шагу второго. Шнеки вращаются во встречном направлении друг к другу, при соотношении частоты вращения первого шнека ко второму 1:2, что способствует эффективной очистки при вращательном движение корнеплодов вокруг своей оси в процессе перемещения последних в осевом направлении. Под шнеками 3 расположен выгрузной транспортер 6 для удаления растительных остатков и почвы в контейнер 7. Концы шнеков 8, сепарационной зоны очистителя корнеплодов конусообразные, с навивкой выполненной в виде шариков 4 и направлением навивки соответствующей навивки шнеков 8.

корнеплод сухой шнековый сепаратор

Рисунок 1 — Общий вид очистителя корнеплодов.

Под сепарационной зоной очистителя находится приемный лоток 9, который разбит на три секции для сбора корнеплодов различного размера.

Корнеплоды, с помощью цепочно-планчатого транспортёра 1 подаются в засыпную горловину 2, за счет сил гравитации. Корнеплоды, поступают на параллельно расположенные шнеки 3 с навивкой выполненной в виде шариков 4. Материал, за счет разности шага навивки и разности частоты вращения шнеков, вращаясь вокруг своей оси, перемещается в осевом направлении шнеков 3, отчищаясь от примесей. Примеси (комки земли, камни, остатки ботвы) через зазор между шнеками 3 за счет сил гравитации просыпаются на выгрузной транспортер 6 откуда удаляются за пределы очистителя. Корнеплоды, поступая в зону сепарации, выполненную в виде конусообразных шнеков 8 с шариковой навивкой 4, перемещаясь в осевом направлении шнеков, разделяются в зависимости от геометрических размеров и посредством сил гравитации попадают в сборный лоток 9 разделенный на три секции для корнеплодов мелкого, среднего и крупного размера.

Таким образом, использование предлагаемого очистителя позволит значительно снизить энергоемкость, металлоемкость процесса, осуществлять более качественную очистку корнеплодов с минимальными повреждениями, а также производить их сепарацию в зависимости от размера.

В основу процесса отделения комков почвы от корнеплодов с помощью рабочего органа шнекового сепаратора положен принцип последовательного разрушения комков при их одновременном поступательном и вращательном (вокруг своей оси) движении.

При работе устройства комки почвы и корнеплоды перемещаются по удлиненной циклоиде — трохоиде, что обеспечивается вращением шнеков с различной угловой скоростью.

Для обеспечения нормальной работы устройства необходимо, чтобы выполнялось следующее условие [7]:

гдепоказатель кинематического режима;?2 — угловая скорость вращения быстроходного шнека, с-1;?1 -угловая скорость вращения тихоходного шнека, с-1;

Основными параметрами шнеков является диаметр Dш, шаг винтовой линии t, высота витка и зазор между смежными шнеками. С увеличением диаметра и зазора между шнеками возрастает захватывающая способность шнеков. Эти параметры должны выбираться из условия протаскивания примесей и отсутствия защемления корнеплодов.

.

где и — соответственно диаметр корнеклубнеплода и толщина примесей (растительные остатки, почвенные комки и др.), мм; и соответственно угол трения по поверхности шнека корнеклубнеплода и отделяемых примесей, град; - зазор между шнеками мм.

Для эффективной сепарации почвы зазоры между смежными шнеками должны быть достаточно большими, но не более диаметра мелких корнеплодов.

Производительность очистителя можно определить по выражению;

.

где — средняя ширина корнеплода;- длина корнеплода каждой фракции, кг;- частота вращения корнеплода,; - диаметр шнеков, м; t — шаг витка шнеков; - показатель кинематического режима;? — плотность корнеплодов, кг/;- коэффициент заполнения рабочего пространства, по длине шнеков.

Полезная мощность, потребная для привода очистителя, расходуется на перемещение корнеплодов вдоль оси шнеков и на преодоление трения материала о навивку шнеков.

Мощность на перемещение корнеплодов вдоль оси шнеков определяется:

где Q — производительность мойки в т/ч;R — радиус шнеков, м;- угловая скорость тихоходного шнека, с-1;Lтр — длина шнеков, м;- показатель кинематического режима;- коэффициент заполнения;- плотность корнеплодов кг/м3;- к.п.д. передачи (0,87). Мощность, затрачиваемая на преодоление трения материала о навивку шнека.

где Fkсила трения груза о поверхность витка шнека, определяется по уравнению:

Мощность на привод шнеков определялась как:

где — коэффициент заполнения шнеков; - к.п.д. подшипников вала шнека.

Результаты экспериментальных исследований и их анализприведены результаты экспериментальных исследований очистителя корнеплодов шнекового типа в зависимости от конструктивно — режимных параметров и дан их анализ.

В результате эксперимента наших исследований получены адекватные математические модели, которые в развернутом виде имеют вид:

— для энергоемкости:

N=2265,634 + 266,7018? — 40 553,155Dш — 1589,38l — 860,652Lтр + 7,5 ?Dш+0,125? Lтр + 12,5Dшl — 0,625lLтр — 59,1619? 2 + 116 857,62Dш 2 +.

+ 1149,5238l 2 + 290,2381Lтр2.

• — для степени очистки:
  • ?=37,3621+12,6885? +1137,996Dш +9,5833l — 25Lтр — 25? Dш + 5? l —
• -1,25 ?Lтр — 250Dшl — 62,5DшLтр — 12,5lLтр — 2,5714? 2 —
• — 2619,05Dш 2+11,9048l 2 + 12,5Lтр2
• — для производительности:

Q= -10 766,546 — 1032,7? + 185 133,33Dш + 6254,88l + 3407,447Lтр+ 13 332,5? Dш+ 3384,25? l + 1590,875? Lтр + 18 287,5Dшl + 9081,25DшLтр + 2235,625lLтр + 273,8 190 333? 2 — 526 883,33Dш 2 — 5230,71 4267l 2 — 1317,2024Lтр2.

На основе полученных уравнений построены сечения поверхностей откликов, основные из которых представлены на рисунках 2,3,4,5,6,7. [4,5].

Анализ сечений представленных на рисунках 2 и 3 показывают, что энергоемкость процесса очистки корнеплодов с увеличениям lот 0,64 м. до 0,73 и Lтр от 1,4 м. до 1,55 м. составляет 62, при этом показатель кинематического режима =2,0, а диаметр шнека составляет Dш=0,178 м.

Рисунок 2 — Сечение поверхности энергоемкости на плоскость Х3(l)Х4(Lтр) при Х1=-1(? =1,5) и Х2=0 (Dш =1,8 м).

Рисунок 3 — Сечение поверхности энергоемкости на плоскость Х1(?)Х2(Dш) при Х3=-1 (l =0,6 м) и Х4=0 (Lтр =1,5 м)

Рисунок 4 — Сечение поверхности производительности на плоскость Х2(Dш)Х4(Lтр) при Х1=-1 (? =1,5) и Х3=0 (l =0,7 м)

Рисунок 5- Сечение поверхности производительности на плоскость Х1(?)Х4(Lтр) при Х2=-1 (Dш =0,17 м) и Х3=0 (Lтр =1,5м)

Рисунок 6 — Сечение поверхности коэффициента очистки на плоскость Х1(?)Х4(L) при Х2=-1 (Dш =0,17 м) и Х3=0 (Lтр =1,5 м)

Рисунок 7 — Сечение поверхности коэффициента очистки на плоскость Х3(l)Х4(Lтр) при Х1=-1(? =1,5) и Х2=0 (Dш =1,8 м).

Анализ сечений представленных на рисунках 4 и 5 позволяет сделать вывод, что производительность очистителя корнеплодов с увеличением Dш от 0,18 до 0,19 м и LТР от 1,5 до 1,6 м повышается и составляет 2500кг/час при этом =2,2, а длина Lтр=1,5 м. Энергоемкость процесса снижается при увеличении Dш от 0,17 до 0,18 м. и LТР от 1,35до 1,55 м.

Анализ зависимостей представленных на рисунках 6 и 7 показывает, что при диаметрах Dш=(0,17 — 0,18) м., Lтр=1,5 м., l=(0,65 — 0,7) м. и=(1,5 — 2,5) коэффициент очистки корнеплодов составляет 0,955, что соответствует зоотехническим требованиям.

Анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что при увеличении шага шнековой навивки увеличивается линейная скорость перемещения корнеплода вдоль рабочей зоны очистки, увеличение длины рабочей зоны очистки приведет к увеличению рабочей площади очистки и, как следствие, все это приведет к росту производительности и снижению энергоемкости. При увеличении данных параметров выше приведенных значений, начинает возрастать длина рабочей зоны очистки, хотя корнеплод перемещается уже очищенным, что приводит к повышению энергоемкости.

Затем наблюдается снижения фактической производительности до значения Q=2650 кг/ч при =2,5. Это объясняется тем, что время взаимодействия полусфер навивки с поверхностью корнеплода, снижается, в результате чего последний «перескакивает» через виток навивки шнека и тем самым замедляет перемещение в осевом направлении шнеков, что в свою очередь ведет к снижению производительности и повышению травмирования корнеплодов.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что оптимальные значения конструктивно-режимных параметров при очистке корнеплодов соответствуют требованиям при следующих значениях параметров:

• — для показателя кинематического режима ?= 2,2;
• — для диаметра шнеков Dш= 0,178 м;
• — для шага шнековой навивки l = 0,68 м;
• — для длины рабочей зоны очистки LТР= 1,5 м.

Значения критериев оптимизации при оптимальном сочетании факторов следующие:

— производительность Q от 2450 до 2500 кг/ч;

• — энергоемкость N=0,62;
• — степень очистки ?=95,3%.

В результате производственной проверки работоспособности очистителя корнеплодов в хозяйствах Краснодарского края получены следующие показатели:

• — пропускная способность составила от 2450 до 2500 кг/ч в зависимости от влажности почвенных примесей W=35…62% при показателе кинематического режима ?=2,2.
• — энергоемкость процесса составилаNуд=0,62…0,73 Вт· ч/кг.

Реализация предложенного ресурсосберегающего технологического процесса сухой очистки корнеплодов позволяет снизить металлоемкость в 1,2 раза, удельные затраты воды — на 0,1 л/кг и получить годовой экономический эффект 133,97 руб./т при сроке окупаемости 4,5 года.

Представляют интерес разработки КубГАУ [8, 9], которые будут также полезны в нашей дальнейшей работе. В одной из них [8] представлена методика комплексной оценки эффективности сравниваемых машин или технологических линий с использованием функции Харрингтона, а во второй производственный процесс рассмотрен комплексно и для его оценки использован метод оптимизации по совокупным затратам энергии, определяющим лучший вариант[9].

Использованные источники

• 1. Бычков А. В. Сухая очистка корнеклубнеплодов / А. В. Бычков, В.Ю. Фролов// Сельский механизатор. — 2009. — № 10 — С. 8−9.
• 2. Бычков А. В. Сухая очистка корнеклубнеплодов транспортным устройствам / А. В. Бычков, В.Ю. Фролов// Техника и оборудование для села. 2011. — № 1 — С. 28−29.
• 3. Бычков А. В. Оптимизация процесса сухой очистки корнеклубнеплодов / А. В. Бычков, В.Ю. Фролов// Техника и оборудование для села. — 2011. — № 8 — С. 22.
• 4. Бычков А. В. Экспериментальные аспекты оптимизации процесса сухой очистки корнеклубнеплодов / А. В. Бычков, В.Ю. Фролов// Международный технико-экономический журнал. — 2011. — № 3 — С. 81−85.
• 5. Бычков А. В. Оптимизация процесса сухой очистки корнеклубнеплодов рабочим органом шнекового типа / А. В. Бычков, В.Ю. Фролов// Труды Кубанского государственного аграрного университета, № 4 (37), 2012 с. 293−295
• 6. Бычков А. В. Механико — технологические предпосылки сухой очистки корнеклубнеплодов / В. Ю. Фролов, А. В. Бычков, Д.П. Сысоев// Техника и оборудование для села. — 2013. — № 1 — С. 14 — 17.
• 7. Бычков А. В. Теоретические аспекты процесса сухой очистки корнеклубнеплодов / В. Ю. Фролов, А.В. Бычков// Труды Кубанского государственного аграрного университета, № 1 (40), 2013 с. 163−166
• 8. Маслов Г. Г. Методика комплексной оценки эффективности сравниваемых машин //Тракторы и сельхозмашины, 2009 № 10 с. 31−34.
• 9. Маслов Г. Г., Дидманидзе О. Н., Цибулевский В. В. Комплексное проектирование механизированных производственных процессов в растениеводстве //Учебное пособие для сельскохозяйственных высших учебных заведений — Москва, 2006. Сер. учебник.