БЕЗВОДНАЯ ОЧИСТКА КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.363.2.636

УК. САБИЕВ, И.Р. ХУЗИН

Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, Омск

БЕЗВОДНАЯ ОЧИСТКА КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Одним из путей снижения себестоимости продукции является использование в рационах животных наиболее дешевых, богатых протеином, витаминами и белками сочных кормов. Корнеклубнеплоды -важная составная часть кормовых рационов для животных и птицы. Эффективность механизации приготовления кормов не ограничивается лишь ростом производительности труда. Корма, прошедшие механическую обработку, лучше усваиваются животными. Повышение их потребляемости без ущерба для здоровья животных, в первую очередь, зависит от такой операции, как очистка от загрязнений. При применении машин для сухой очистки корнеплодов снижаются энерго- и трудозатраты, также это экономически выгодно по сравнению с очистителями с гидромеханическим принципом очистки. Рассмотрена схема взаимодействия корнеклубнеплода с колеблющейся плоскостью. Определены оптимальные режимы работы вибрирующего рабочего органа. Установлена зависимость степени очистки от частоты следования ударов корня о поверхность, ускорения несущей поверхности и угла вибрации. Приведены формулы, позволяющие описать процесс перемещения обрабатываемого материала по колеблющейся плоскости в процессе очистки, а также результаты экспериментального исследования зависимости остаточной загрязненности от числа ударов.

Ключевые слова: вибрация, колебания, плоскость, корнеклубнеплоды, очистка.

Введение

В основном очистка происходит за счет сил инерции, которые возникают в корнеклубнеплодах при соприкосновении с плоскостью вибрирующей поверхности, а также в результате их взаимного трения.

Степень очистки, с одной стороны, зависит от параметров вибрации, времени вибрационного воздействия на продукт, с другой - от вида корнеклубнеплодов, их первоначальной загрязненности, типа и влажности прилипшей почвы. Учесть аналитически влияние всех факторов на качество очистки весьма сложно.

Объекты и методы

Объект исследования - процесс очистки корнеклубнеплодов вибровоздействием.

В основе методов исследования - дифференциональные уравнения, эксперименты в лабораторных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры.

Результаты исследований

Степень очистки корнеклубнеплодов можно охарактеризовать изменением количества движения на единицу массы продукта за единицу времени. Такая зависимость может быть оценена через параметры движения рабочего органа. В качестве простейшей схемы взаимодействия корнеплода (клубнеплода) с колеблющейся плоскостью рассмотрим схему, предложенную П.В. Полохиным: движение точечной массы т, упруго соударяющейся с горизонтальной поверхностью рабочего органа очистителя массой М, когда плоскости заданы вертикальные (в = 90°) гармонические колебания по закону [1; 2]

X = Ля^жо*:, (1)

где А, ш - соответственно амплитуда и частота вибрации плоскости; аА (ф) - фазовый угол соударения (клубня) о поверхность рабочего органа в момент времени

© Сабиев У.К., Хузин И.Р., 2020

Прямой упругий удар двух точечных масс, как известно, описывается соотношением между скоростями масс до и после удара

*« = Кг - (1 + £) ^ (**/ - */) , (2)

где £ - коэффициент восстановления скорости после удара; / / - индексы, соответственно показывающие состояние масс до удара и после.

Масса корня значительно меньше массы рабочего органа, движение которого поддерживается приводом, поэтому можно положить

Х/=Х1, (3)

*я = (1 + «)*/ - ехк/. (4)

Выражение (4) примет вид

Хй = е^Ашсозср, (5)

/ 1+£ хкГ

где £' = --= -т±.

1-ЦЕ г ха

Движение корня на вибрирующей поверхности периодическое, несмотря на неполное восстановление скорости при ударах о колеблющуюся плоскость рабочего органа. По известным формулам имеем

= Щ (6)

К 4д 44 '

откуда при со= 1 находим

= (7)

а также

р=^ = 1.£/.Я, (8)

где аК, шк - амплитуда и частота колебаний корня; £) = ^— коэффициент динамики

установки при угле вибрации /? = 90° и угле наклона плоскости поверхности по отношению к горизонту а = 90°.

Для других значений указанных углов величине Б соответствует коэффициент

г- г " г- Аа>2зтВ

режима работы вибрирующей поверхности - и = дсова .

Величина р, представляющая отношение продолжительности полета частицы к периоду колебаний плоскости, определена И.И. Блехманом в пределах изменения параметра О, соответствующего устойчивым режимам движения с непрерывным подбрасыванием [1]

1 1+е п

р -----С. (9)

^ п 1-Е 4 '

/ 1+£

Согласно выражениям (8), (9) имеем £' = —-.

Изменение количества движения массы т при ударе о рабочую плоскость за пе-

гр 27Г

риод 1 = р • — составит

К1 = 2 тхк1. (10)

Выразим изменение количества движения на единицу массы за единицу времени при 0°</? < 90°

К! = ^ • ^ • Аш25т(Зсо5<р. (11)

Из выражения (9) видно, степень очистки повышается с увеличением частоты следования ударов корня о поверхность при прочих равных условиях движения рабочего органа. Достичь этого можно, устанавливая над поверхностью ограничитель амплитуды колебаний корней: повышается частота колебаний материала на поверхности,

способствуя интенсификации процесса. Причем оптимальным режимам колебаний рабочего органа соответствуют периодические одноударные колебания корней.

Движение клубня рассматривается как движение материальной точки. На процесс очистки корнеклубнеплодов значительное влияние будут оказывать взаимодействия рабочих органов и клубней. При очистке корнеклубнеплодов навалом можно принять £ = 0, у выражения (10) при р = 1 будет вид

К! = ^ • ^ • Аш25т(Зсо5(р. (12)

Анализируя выражение (11), отметим, что степень очистки корнеклубнеплодов повышается с ростом ускорения несущей поверхности и увеличения угла вибрации в. При очистке целесообразно использовать периодические одноударные режимы колебаний материала на поверхности с небольшими значениями фазового угла соударений ф.

Одним из важных эксплуатационных показателей вибрационных устройств для очистки корнеклубнеплодов является их производительность, определяемая скоростью перемещения продукта в очистительном устройстве, а также полезной площадью поперечного сечения корнеплодов и их насыпным весом

£ = 3600 -У-Б-у, (13)

где Q - производительность, т/час; V - осевая скорость перемещения продукта, м/сек; Я - площадь поперечного сечения корнеклубнеплодов, м2; у - объемный вес корнеклубнеплодов, т/м3.

Из приведенной формулы следует, что скорость перемещения - основная характеристика производительности, в связи с чем возникает необходимость ее определения через параметры режима работы установки.

Процесс перемещения корнеклубнеплодов по колеблющейся плоскости сложен и зависит от многих факторов. Прежде всего к ним следует отнести физико-механические свойства обрабатываемого материала, толщину слоя корнеклубнеплодов, взаимодействие клубней (корней), коэффициент режима работы очистителя. При вибрационном движении под значительным углом к плоскости перемещение корнеклубнеплодов при больших ускорениях осуществляется за счет микробросков. Теория движения одиночного клубня может быть сведена к задаче о движении материальной точки относительно вибрирующей шероховатой поверхности.

Основы теории вибрационного перемещения заложены Б.Л. Бергом, Г.Д. Терско-вым, Б.А. Бауман, дальнейшее ее развитие нашло отражение в работах И. И. Блехмана, Г.Ю. Джанелидзе, И.Ф. Гончаревича, В.А. Повидайло, А.О. Спиваковского и других [1-6]; рассмотрены некоторые вопросы теории движения материальной точки, исходя из дифференциальных уравнений

(тх = —тдБта + тАш25та)1 • соб^ —

Iту = —тдсоза + тАш28ЫШ • хт/? + N.

где Г - сила трения; N - нормальная реакция.

Для определения средней скорости перемещения материала вдоль колеблющейся плоскости исследователями предложен ряд формул, близких по внутренней природе [3; 5; 10]. Можно определять среднюю скорость вибротранспортирования по формуле

У = (К-!_± К25та)А0)С05р, (15)

где К1 - коэффициент, учитывающий влияние физико-механических свойств материала; К2 - коэффициент, учитывающий влияние наклона (подъема) плоскости к горизонту. Используют знак (+) при транспортировке под уклон, знак (-) - при транспортировке на подъем.

В Омском ГАУ проводятся исследования по безводной очистке корнеклубнеплодов, в том числе с использованием вибрационного воздействия [7-9].

Нами проведены исследования результатов очистки ударом в зависимости от материала и конструкции основания, на которое сбрасываются корни (данные представлены на рис. 1). По рис. 1: в начальной стадии процесса очистки эффект будет выше при применении жестких оснований (доска сосновая, планчатая поверхность), вызывающих деформацию корней при их падении. А на завершающей стадии очистки при использовании эластичных оснований (проволочная сетка) результаты значительно ниже. При очистке корнеклубнеплодов трением эффективнее сетчатые поверхности. Это объясняется тем, что планчатая поверхность не может удалить загрязнения из впадин корнеклубнеплодов. Сетчатая поверхность активно воздействует на их выступающие участки.

Рис. 1. Зависимость остаточной загрязненности до от числа ударов п о доску сосновую (1); стальную планчатую поверхность (2) и сетку стальную 20 х 20 мм (3). Условия: ди = 25%, Ж = 20%, Н = 1000 мм

Наиболее полно данным параметрам соответствует устройство для безводной очистки корнеклубнеплодов вибрационного действия, разработанное в Омском ГАУ (рис. 2) [7-9].

Рис. 2. Устройство для безводной очистки корнеклубнеплодов вибрационного действия

Работает это устройство следующим образом. Корнеклубнеплоды, подлежащие очистке от почвы, поступают из загрузочного лотка 1 в наружный сетчатый полубара-

бан 2 с днищем 3, расположенным под углом к направлению его продольной оси. Приводное устройство, состоящее из электродвигателя 10 через редуктор 11 передает возвратно-поступательные колебания в поперечной плоскости наружному сетчатому полубарабану 2, а через цепную передачу 7 и механизм колебания 8 - вращение и возвратно-поступательные колебания внутреннему барабану-щетке 5. Возвратно-поступательные колебания наружного сетчатого полубарабана и барабана-щетки поперечной плоскости в противоположных направлениях обеспечивают тщательное и частое соприкосновение корнеклубнеплодов с внутренним вращающимся барабаном-щеткой, способствуют более качественному отделению почвы. Счищенная с корнеклубнеплодов почва, пройдя сквозь днище, например, сетчатое, удаляется. Очищенные корнеклубнеплоды перемещаются на выгрузку по днищу, расположенному под углом 0 < а < 30° к продольной оси полубарабана, под действием собственного веса.

Заключение

Эффективность очистки корнеклубнеплодов зависит от многих факторов. Вибрационное воздействие позволяет избежать множества недостатков наиболее распространенных методов удаления загрязнений с поверхности клубня. При оптимальных режимах работы вибрационного очистителя уменьшится процент повреждения обрабатываемого материала, повысится степень отделения примесей, снизятся энергозатраты на рабочий процесс. Кроме того, вибрации могут положительно сказаться на эффективности очистки при использовании с другими типами рабочих органов, например, щеточными.

U.K. Sabiev, I.R. Khuzin

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Waterless tuberous root cleaning by means of vibration

One of the ways to reduce the cost of production is the use of the cheapest, rich in protein, vitamin and protein sappy feed in animal rations. Tuberous roots are an important part of feed rations for animals and poultry. The effectiveness of the mechanization of feed preparation is not limited to the growth of labor productivity. Mechanically processed feed is better absorbed by animals. An increase in their consumption without harming the health of animals primarily depends on such an operation as cleaning them from contamination. The use of machines for dry cleaning of root crops reduces energy and labor costs, and is also cost-effective in comparison with cleaners based on the hydromechanical cleaning principle. The article describes the scheme of interaction of tuberous roots with an oscillating plane. The optimal operating modes of the vibrating working body have been determined. The dependence of the degree of cleaning on the frequency of the repetition of the impact of the root on the surface, the acceleration of the bearing surface and the angle of vibration has been established. Formulae which allow describing the movement process of the material along an oscillating plane during the cleaning process, as well as the results of an experimental study of the dependence of residual pollution on the number of impacts, are given.

Keywords: vibration, oscillation, plane, tuberous root, cleaning.

Список литературы

1. Блехман И.И. Что может вибрация? «О вибрационной механике» и вибрационной технике / И.И. Блехман. - Москва : Ленанд, 2017. -216 с. - ISBN 978-5-9710-3582-4. - Текст : непосредственный.

2. Полохин П.В. Исследование вибрационного отмыва корнеплодов : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидита техниче-

Referens

1. Blekhman I.I. Chto mozhet vibraciya? "O vibracionnoj mekhanike" i vibracionnoj tekhnike / I.I. Blekhman. - Moskva : Lenand, 2017. - 216 s. -ISBN 978-5-9710-3582-4. - Tekst : neposredstvennyj.

2. Polohin P. V. Issledovanie vibracionnogo ot-myva korneplodov : avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidita tekhnicheskih nauk / P.V. Polohin ; Ministerstvo sel'skogo hozyajstva

ских наук / П.В. Полохин ; Министерство сельского хозяйства СССР, Челябинский институт механизации и электрификации сельского хозяйства. -Челябинск, 1973. - 21 с.

3. Федоренко И.Я. Вибрационные процессы и устройства в АПК : монография / И.Я. Федоренко ; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Алтайский государственный аграрный университет». - Барнаул : АГАУ, 2016. - 289 с. - ISBN 9785-94485-296-0. - Текст : непосредственный.

4. Кузьмичев В.А. Основы проектирования вибрационного оборудования : учебное пособие /

B.А. Кузьмичев. - Санкт-Петербург : Лань, 2014. -208 с. - ISBN 978-5-8114-1673-8. - Текст : непосредственный.

5. О перспективах использования вибрационной техники и технологий в сельском хозяйстве : сборник научных докладов ВИМ / И.Ф. Гончаре-вич, Э.Г. Гудушаури, А.М. Мельников [и др.] ; Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства. 2010. - Т. 2. -

C. 387-393.

6. Eben Е. Verfahren zur Abtrennung von Ru-benerde // Zuckerindustrie. - 2000. - T. 125. - № 1. -S. 13-17. - Нем.-Рез. англ., фр., исп. - Bibliogr.: S.17.

7. Патент на полезную модель № 154988, Российская Федерация, МПК A01D 33/00. Устройство для безводной очистки корнеклубнеплодов. -Опубл. в Б.И. № 26, 2015. / Сабиев У.К., Гайдай П.А., Сабиев И.У. - Текст : непосредственный.

8. Сабиев У.К. Анализ машин для очистки корнеклубнеплодов / У.К. Сабиев, И.Р. Хузин // Вестник Омского государственного университета ; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина. - 2020. -№ 2(38). - С. 188-195. - ISSN 2222-0364. - Текст : непосредственный.

9. Гайдай П.А. Сравнительный анализ устройств для безводной очистки корнеклубнеплодов / П.А. Гайдай // Вестник ОмГАУ ; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина. - Омск : ФГБОУ ВО Омский ГАУ, 2015. - № 3(19). - ISSN 2222-0364. - Текст : непосредственный.

10. Мухин В.А. Методика и результаты исследования физико-механических свойств корнеклубнеплодов / В.А. Мухин, А.А. Овчинников // Научное обозрение. - 2011. - № 1. - С. 13-16. -Текст : непосредственный.

SSSR, Chelyabinskij institut mekhanizacii i elektrfi-kacii sel'skogo hozyajstva. - Chelyabinsk, 1973. - 21 s.

3. Fedorenko I.Ya. Vibracionnye processy i us-trojstva v APK : monografiya / I.Ya. Fedorenko ; Fe-deral'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazova-tel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya "Altajskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet". - Barnaul : AGAU, 2016. - 289 s. - ISBN 978-5-94485-296-0. -Tekst : neposredstvennyj.

4. Kuz'michev V.A. Osnovy proektirovaniya vi-bracionnogo oborudovaniya : uchebnoe posobie / V.A. Kuz'michev. - Sankt-Peterburg : Lan', 2014. -208 s. - ISBN 978-5-8114-1673-8. - Tekst : neposredstvennyj.

5. O perspektivah ispol'zovaniya vibracionnoj tekhniki i tekhnologij v sel'skom hozyajstve : sbornik nauchnyh dokladov VIM / I.F. Goncharevich, E.G. Gudushauri, A.M. Mel'nikov [i dr.] ; Vserossijs-kij nauchno-issledovatel'skij institut mekhanizacii sel'skogo hozyajstva. 2010. - T. 2. - S. 387-393.

6. Eben E. Verfahren zur Abtrennung von Ru-benerde // Zuckerindustrie. - 2000. - T. 125. - № 1. -S. 13-17. - Nem.-Rez. angl., fr., isp. - Bibliogr.: S.17.

7. Patent na poleznuyu model' № 154988, Ros-sijskaya Federaciya, MPK A01D 33/00. Ustrojstvo dlya bezvodnoj ochistki korneklubneplodov. - Opubl. v B.I. № 26, 2015. / Sabiev U.K., Gajdaj P.A., Sa-biev I.U. - Tekst : neposredstvennyj.

8. Sabiev U.K. Analiz mashin dlya ochistki korneklubneplodov / U.K. Sabiev, I.R. Khuzin // Vest-nik Omskogo gosudarstvennogo universiteta ; Minis-terstvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii, Omskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet imeni P.A. Stolypina. - 2020. - № 2(38). - S. 188-195. -ISSN 2222-0364. - Tekst : neposredstvennyj.

9. Gajdaj P.A. Sravnitel'nyj analiz ustrojstv dlya bezvodnoj ochistki korneklubneplodov / P.A. Gajdaj // Vestnik OmGAU ; Ministerstvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii, Omskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet imeni P.A. Stolypina. - Omsk : FGBOU VO Omskij GAU, 2015. -№ 3(19). - ISSN 2222-0364. - Tekst : neposredstvennyj.

10. Muhin V.A. Metodika i rezul'taty issledova-niya fiziko-mekhanicheskih svojstv korneklubneplodov / V.A. Muhin, A.A. Ovchinnikov // Nauchnoe obozrenie. - 2011. - № 1. - S. 13-16. - Tekst : neposredstvennyj.

Сабиев Уахит Калижанович, д-р техн. наук, проф., Омский ГАУ, uk.sabiev@omgau.org; Хузин Илья Радикович, аспирант, Омский ГАУ, ir.khuzin@omgau.org.

Sabiev Uakhit Kalizhanovich, Dr. Techn. Sci., Prof., Omsk SAU, uk.sabiev@omgau.org; Khuzin Il'ya Radikovich, graduate student, Omsk SAU, ir.khuzin@omgau.org.