CC BY
52
УДК 656.13
UDC 656.13
АНАЛИЗ УСЛОВИИ И ПРИНЦИПОВ РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ОРГАНАМИ ВТОРИЧНОЙ сепарации
Павлов Виталий Александрович аспирант
Рембалович Г еоргий Константинович к.т.н., доцент
Успенский Иван Алексеевич д.т.н., профессор
Юхин Иван Александрович к.т.н., доцент
Рязанский государственный агротехнологический
THE ANALYSIS OF THE CONDITIONS AND PRINCIPLES OF SEPARATION OF COMPONENTS WITH DEVICES OF SECONDARY SEPARATION
Pavlov Vitaliy Aleksandrovich postgraduate student
Rembalovich Geоrgiy Kоnstantinоvich Cand.Tech.Sci., assоciate prоfessоr
Uspensky Ivan Alekseevich Dr.Sci.Tech., prоfessоr
Yukhin Ivan Aleksandrovich
Cand.Tech.Sci., assоciate prоfessоr
Ryazan State Agmtechrnbgical University Named
университет имени П.А. Костычева, Рязань, Россия After P.A. ^stychev, Ryazan, Russia
Результаты теоретических исследований, представленные в данной статье, предназначены для ознакомления с перспективным направлением повышения качества работы картофелеуборочных машин путем совершенствования рабочих органов сепарации
Ключевые слова: КАРТОФЕЛЬ, КЛУБЕНЬ, КОМПОНЕНТ, СЕПАРИРУЮЩАЯ ГОРКА, БОТВА, ПОЧВА
The results of theoretical studies presented in this article is intended to familiarize with perspective direction of improving quality of work potato harvesters by improving the working bodies of separation
Keywords: POTATO, TUBER, COMPONENT, SEPARATING HILL, TOPS, SOIL
Процесс сепарации картофельного вороха на рабочей ветви пальчатого полотна при падении клубней и комков почвы на наклонную поверхность горки происходит благодаря различным факторам[1, 3, 4, 7].Анализ позволяет выделить среди них основные, влияющие на эффективность процесса сепарации:
1. Коэффициент трения у почвы и ботвы о резиновую пальчатую поверхность выше, чем у чистых клубней картофеля [1]).
2. Прочность связи компонентов вороха: прочность связи клубней картофеля с ботвой, клубня с почвой [1].
3. Геометрические параметры компонентов, попадающих на поверхность горки, а именно их размеры и форма.
Все перечисленные выше факторы в большой степени связаны с влажностью почвы, так как при высокой или низкой влажности, на
сепарирующую горку попадают клубни картофеля, не отделенные от примесей, прочно с ними связанные, имеющие неправильную форму и высокий коэффициент трения с пальчатым полотном [4, 7].
В дальнейших исследований введем понятие «компонент», под которым понимается неразделенный компонент клубненосного вороха, а именно тело неправильной формы, составляющими которого являются клубень с налипшей на него почвой и ботвой [5]. Для наиболее объективного выбора параметров рабочего органа вторичной сепарации целесообразнее всего рассматривать взаимодействие клубнеотражателя именно с компонентом, как наиболее сложным и неблагоприятным случаем [2, 5].
Быстрота и качество разделения компонента на составляющие зависит от степени и количества силовых воздействий на него со стороны рабочих органов вторичной сепарации, таким образом задача клубнеотражателя - интенсифицировать процесс разделения путем силового воздействия на компоненты [1, 3, 6]. При этом возможны следующие случаи [2]:
1. Компонент попадает на поверхность сепарирующей горки, в силу своих физико-механических свойств и геометрических параметров не сходит с полотна горки, а движется к клубнеотражателю, в результате силового воздействия со стороны последнего компонент разделяется на составляющие (клубень, почва, ботва) [8]: клубень сходит с полотна горки, а примеси выносятся на поле (рис. 1а).
2. Компонент попадает на поверхность сепарирующей горки, в силу своих физико-механических свойств и геометрических параметров не сходит с полотна горки, а движется к клубнеотражателю, в результате силового воздействия со стороны последнего компонент частично разделяется (от клубня отделилась часть почвы или ботвы), принимает иное положение на поверхности полотна наиболее благоприятное для
схода и катится. В результате этогопроисходит окончательное разделение: клубень сходит с полотна горки, а примеси выносятся на поле (рис. 1б).
до взаимодействия после взаимодействия
а) компонент после взаимодействия с клубнеотражателем полностью разделился
до взаимодействия после взаимодействия
б) компонент после взаимодействия с клубнеотражателем разделился частично
до взаимодействия после взаимодействия
в) компонент (камень, комок почвы) после взаимодействия с клубнеотражателем не разделился
Рисунок 1 - Возможные случаи сепарации при взаимодействии компонента с клубнеотражателем
3. Компонент попадает на поверхность сепарирующей горки, в силу своих физико-механических свойств и геометрических параметров не сходит с полотна горки, а движется к клубнеотражателю, в результате силового воздействия со стороны последнего разделения не произошло, компонент откинут клубнеотражателем на пальчатое полотно и вновь движется к клубнеотражателю[2, 8]. Процесс будет повторяться до тех пор, пока компонент не покинет полотно (рис. 1 в).
Таким образом, при выборе параметров сепарирующих рабочих органов в первом случае следует ориентироваться на то, чтобы ударное воздействие со стороны клубнеотражателя не повреждало клубни, во втором случае силовое воздействие должно обеспечивать компоненту благоприятное для схода положение на пальчатом полотне, не повреждая клубни, в третьем случае повторное взаимодействие компонента с клубнеотражателем может привести к повреждению эластичного покрытия пластин, так как компонентом может оказаться камень или твердый комок почвы, и необходим предохраняющий механизм с определенными параметрами для данного случая, позволяющий своевременно удалять такие компоненты с горки [3, 5, 6].
Рассмотрим процесс взаимодействия компонентов вороха различной формыс элементом интенсификатора сепарации, выполненным в виде вала с расположенными на нем подпружиненными пластинами.
Условие опрокидывания компонента выглядит следующим образом[1, 2]:
Мдпр - момент, опрокидывающий компонент относительно линии АВ, Нм.
Для компонента в виде прямоугольного параллелепипеда (рис.2):
где О - сила тяжести, Н; аг - угол наклона горки, рад;
а, Ь, с - геометрические размеры компонента (высота, длина, ширина), м; Р - сила, взаимодействия компонента с пластиной клубнеотражателя, Н.
М < М , уд опр
(1)
где Муд - момент, удерживающий компонент в исходном положении, Нм;
уд
(2)
(3)
взаимодействия компонента с пластиной клубнеотражателя, Н; - момент
удерживающий компонент в исходном положении, Нм; Мопр - момент, опрокидывающий компонент относительно линии АВ, Нм; G - сила тяжести, Н; аг -угол наклона горки, рад;шв- угловая скорость вращения вала клубнеотражателя, рад/с; уг -скорость движения поверхности горки
Рисунок 2 - Схема взаимодействия компонента с пластиной
клубнеотражателя
С учетом (1) имеем
Gcos
( b > / a Л
a — < Gsin a
г 2 V zy г V 2,
+p a. 2
(4)
Из выражения (4) получим минимальную силу, необходимую для предания компоненту наиболее благоприятного для схода с горки положения:
Gcos (a b) -Gsin (a a) G(cos (a b)- sin (a г a D
р . >
min
(5)
aa Силу тяжести определяем по выражению:
G = m кg,
(6)
где тк - масса компонента, кг;
% - ускорение свободного падения, м/с .
Масса компонента определяется как:
т к = гк Рк, где рк - плотность компонента, кг/м3;
Ук - объем компонента, кг/м .
V, = а • Ь • с, к
(7)
(8)
(9)
С учетом (6)... (8) выражение (5) примет вид:
р > Ъ • с • g rk (cos (а г b)- sin (а г a jj,
Графические зависимости величины силы от угла наклона горки и состава компонента показаны на рисунке 3.
50
Д 40
с£
“
s
CJ
§30 X А §
| 20
10
N Ч с
U >% = — X *
з S X н X
о
§ 30 ас
-а §
5 s =
S 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1
угол наклона горки, рад
S X Ю К
о <D 1
3 5 1 I
^ ” : с - О ’ S о
1—i
плотность компонента, кг/м3
Рисунок 3 - Зависимости величины силы от угла наклона горкии состава компонента
Из графиков видно, что при одинаковых геометрических параметрах компонента в большей степени на величину силы влияет угол наклона пальчатого полотна, при увеличении которого сила убывает.
Так, при угле наклона 0,7 рад, в диапазоне плотностей компонента от 1000-3000 кг/м (минимальное значение диапазона соответствует плотности клубней картофеля с низким содержанием крахмала, максимальное - плотности твердой фазы суглинистых почв) величина
силы изменится от 13 до 33 Н, что достаточно для отрыва клубня от ботвы и исключения повреждения клубней картофеля [2]
Для компонента в виде треугольной пирамиды (рисунок 4):
М = Обш{а + Р — (10) опр 1 г 3 I 3
(11)
где О - сила тяжести, Н;аг - угол наклона полотна, рад;а,^-геометрические размеры компонента, м;Р - сила, взаимодействия компонента с пластиной клубнеотражателя, Н.
Рисунок 4 - Схема взаимодействия компонента формы треугольной пирамиды с пластиной клубнеотражателя С учетом (1) имеем:
Особ^аг а 1 < Обш^а г | + р ^ (12) ОсоБ^аг • 3а)< Овт(аг • 2к)+2Р • Ь (13)
Из выражения (13) получим силу необходимую для предания компоненту наиболее благоприятного для схода с полотна положения:
Особ (а • 3а )-взт (а • 2к)
Р . > тт
2Ь
Силу тяжести определяем по выражению:
о = т к ё, (15)
где тк - масса компонента, кг;
- ускорение свободного падения, м/с2.
тк = ГкГк ’ (16)
где рк - плотность компонента, кг/м3;
Ук - объем компонента, кг/м .
V, = | 8„ = ^(17)
С учетом (15) ... (17) выражение (14) для силы, необходимой для переворота компонента на полотне горки примет вид:
Р >-----Г---(особ(аг • 3а)-Об1п(аг • 2Н)), (18)
Для компонента в виде полусферы (рисунок 5):
( 3Я Л ЗЯ
М = Об1п опр
V г 8 ) 8
+ р ^ (19)
(а г , (20)
М = Особ
уд
V г 2
где О - сила тяжести, Н;аг - угол наклона полотна, рад;^1- радиус полусферы, м;^2- радиус основания, м; Р - сила, взаимодействия компонента с пластиной клубнеотражателя, Н.
С учетом (1) имеем
Особ
а — | < Об1п г2
V 8 ) 8
+ р ^(21)
ОсоБ(аг • 4Я1 )< Об1п(аг • 3Я2)+ 3Р • Я2 (22)
Из выражения (22) получим силу необходимую для предания
компоненту наиболее благоприятного для схода с полотна положения:
р > (°с°8(аг • 4Я1 )- °81п(3Я2 )) (^3)
Р> 3Я ( )
Рисунок 5 - Схема взаимодействия компонента в форме полусферы с пластиной клубнеотражателя
Силу тяжести определяем по выражению:
о = т к g, (24)
где тк - масса компонента, кг;
- ускорение свободного падения, м/с2.
тк = гкРк ’ (25)
где рк - плотность компонента, кг/м3;
Ук - объем компонента, кг/м .
У =2/3пЯ3, (26)
С учетом (24) ... (26) выражение (23) для силы, необходимой для переворота компонента на полотне горки примет вид:
Р > 2 К,_9 Рр g (осо5(аг •4К| )-Сз1п(аг ^)) (27)
Для усеченной пирамиды с основанием в виде прямоугольника
(рисунок 6):
М =Об1п(а Ус) +Р Ус (28)
опр ''г с' с у 7
М = Особ| а —
уд V г 2 )
(29)
где О - сила тяжести, Н;аг - угол наклона полотна, рад;а,Ь,с,ё,И-геометрические размеры компонента, м; Р - сила, взаимодействия компонента с пластиной клубнеотражателя, Н.
Рисунок 6 - Схема взаимодействия компонента в форме усеченной пирамиды с пластиной клубнеотражателя
С учетом (1) имеем
0соз(аг |) < Озт(агУе)+ Р • Уе (30)
Из выражения (30) получим силунеобходимую для предания компоненту наиболее благоприятного для схода с полотна положения:
Р >
Особ(аг • ^| - Об1п (аг • Ус)
У„
Силу тяжести определяем по выражению:
0 = ткё,
(31)
(32)
где тк - масса компонента, кг;
8 - ускорение свободного падения, м/с .
т к = Ук Рк'
где рк - плотность компонента, кг/м3;
3
Ук - объем компонента, кг/м .
С учетом (32), (33) выражение (31) для силы необходимой для переворота компонента на полотне горки примет вид:
ук-Рк-8 ( ( а Л .{ „й
р >
со{а г' 2 ]-8іп (а г '¥с) (34)
Объем компонента:
V — — (б в + Бн + -у/Бв ■ Бн ) — — (а ■ Ь + с ■ а + л/а ■ Ь ■ с ■ а) (35)
, — 2й + а
У — — “7—Т7 (36)
3 а + а
С учетом (35) и (36) выражение (34) примет вид:
Р >
(а + а )(а ■ ь + с ■ а + Vа ь с а) ■ р£ • £ ^
со^ аг ■■2-|-эт(аг ■Ус) (37)
2а + а
По результатам анализа зависимости величины силы от угла наклона полотна, состава и формы компонента, при изучении взаимодействия компонентов в форме прямоугольного параллелепипеда, треугольной пирамиды, полусферы, усеченной пирамиды было выявлено, что величина, необходимая для опрокидывания силы при схожих габаритных размерах компонента, зависит от формы компонента. Форма прямоугольного параллелепипеда, является наиболее неблагоприятной для схода компонента с полотна горки[1, 2].
Список литературы
1. Бышов, Н.В. Принципы и методы расчета и проектирования рабочих органов картофелеуборочных комбайнов: монография / Н.В. Бышов, А.А.Сорокин. -Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 1999. - 134 с.
2. Повышение эффективности уборочных операций (на примере картофеля) / В.А. Павлов, И.А. Успенский, И.А. Юхин[и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. -2014. - №04(098). С. 1138 - 1148.- Режим доступа: кйр://е].киЬаёго.ги/2014/04/рёГ/83.рёГ.
3. Технологическое и теоретическое обоснование конструктивных параметров органов вторичной сепарации картофелеуборочных комбайнов для работы в тяжелых условиях / Н.В. Бышов, В.А. Павлов, И.А. Успенский [и др.] // Вестник Рязанского
государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2012. - № 16. - С. 87-90.
4. Анализ эксплуатационно-технологических требований к
картофелеуборочным машинам и показателей их работы в условиях Рязанской области / Г.К. Рембалович [и др.] // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2013. - № 17. - С. 64-68.
5. Голиков, А. А. Перспективные направление развития сепарирующих устройств корнеклубнеуборочных машин / А.А. Голиков // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2013. - № 20.- С. 103-105.
6. Перспективный орган вторичной сепарации / В.А. Павлов, И.А. Успенский,
Г.К. Рембалович [и др.] // Сборник научных работ студентов Рязанского
государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - Рязань: Изд-во ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2011. - Т. 1. - С. 252-255.
7. Повышение эксплуатационно-технологических показателей транспортной и специальной техники на уборке картофеля [Электронный ресурс] / Г.К. Рембалович,
H.В. Бышов, В.А. Павлов [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. - №88. - С. 509 -518. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/34.pdf.
8. Алгоритм сохранения качества плодоовощной продукции при уборочнотранспортных работах / И.А. Успенский, И.А. Юхин, С.В. Колупаев [и др.] // Техника и оборудование для села. - 2013. - №12. - С. 12-15.
References
I. Byshov, N.V. Principy i metody rascheta i proektirovanija rabochih organov kartofeleuborochnyh kombajnov: monografija / N.V. Byshov, A.A.Sorokin. - Rjazan': FGBOU VPO RGATU, 1999. - 134 s.
2. Povyshenie jeffektivnosti uborochnyh operacij (na primere kartofelja) / V.A. Pavlov, I.A. Uspenskij, I.A. Juhin[i dr.] // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal KubGAU [Jelektronnyj resurs]. -2014. - №04(098). S. 1138 - 1148.- Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2014/04/pdf/83.pdf.
3. Tehnologicheskoe i teoreticheskoe obosnovanie konstruktivnyh parametrov organov vtorichnoj separacii kartofeleuborochnyh kombajnov dlja raboty v tjazhelyh uslovijah / N.V. Byshov, V.A. Pavlov, I.A. Uspenskij [i dr.] // Vestnik Rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. - 2012. - № 16. - S. 87-90.
4. Analiz jekspluatacionno-tehnologicheskih trebovanij k kartofeleuborochnym mashinam
i pokazatelej ih raboty v uslovijah Rjazanskoj oblasti / G.K. Rembalovich [i dr.] // Vestnik Rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. -2013. - № 17. - S. 64-68.
5. Golikov, A.A. Perspektivnye napravlenie razvitija separirujushhih ustrojstv korneklubneuborochnyh mashin / A.A. Golikov // Vestnik Rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. - 2013. - № 20. - S. 103-105.
6. Perspektivnyj organ vtorichnoj separacii / V.A. Pavlov, I.A. Uspenskij, G.K. Rembalovich [i dr.] // Sbornik nauchnyh rabot studentov Rjazanskogo gosudarstvennogo agrotehnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. - Rjazan': Izd-vo FGBOU VPO RGATU, 2011. - T. 1. - S. 252-255.
7. Povyshenie jekspluatacionno-tehnologicheskih pokazatelej transportnoj i special'noj tehniki na uborke kartofelja [Jelektronnyj resurs] / G.K. Rembalovich, N.V. Byshov, V.A. Pavlov [i dr.] // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo
gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - №88. - S. 509 - 518. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/34.pdf.
8. Algoritm sohranenija kachestva plodoovoshhnoj produkcii pri uborochno-transportnyh rabotah / I.A. Uspenskij, I.A. Juhin, S.V. Kolupaev [i dr.] // Tehnika i oborudovanie dlja sela. - 2013. - №12. - S.12-15.
Byshov, N.V. Principles and methods of calculation and designing of working bodies potato harvesters: monograph / N.V. Byshov, A.A. Sorokin. - Ryazan: Publishing house to FGBOU VPO RGATU, 1999. - 134 s.
