Теоретические и экспериментальные исследования процесса мойки картофеля в барабанной машине Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

_________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85._________

4. Койвунен Т.М., Романовский Н.В. и др. Технология и организация механизированной уборки капусты с доработкой кочанов на стационарном пункте // Научные труды НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. Вып. 22. Л. 1977. С. 158-163.

5. Арсеньев Г.М., Жучков А.Н. Применение контейнеров при производстве и перевозках сельскохозяйственной продукции. СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2006. 164 с.

6. Блох Л.С. Практическая номография. М.: Высшая школа, 1971. 328 с.

УДК 631.362.6

Е.Е. ОРЕШИН, канд. техн. наук; Г.А. ЛОГИНОВ; А.А. УСТРОЕВ, канд. техн. наук

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МОЙКИ КАРТОФЕЛЯ В БАРАБАННОЙ МАШИНЕ

Аналитически определены значения режимов мойки картофеля в барабанной машине и практически проверены теоретические выкладки

Ключевые слова: картофель, мойка, схема сил, теория движения

E.E. ORESHIN, Cand Sc (Eng), G.A. LOGINOV, A.A. USTROEV Cand Sc (Eng)

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF POTATO WASHING PROCESS IN A DRUM MACHINE

The indices of potatowashing regimes in a drum machine were determined analytically; theoretical calculations were tested in practice.

Keywords: potato, washing, flow pattern of force, motion theory

На сегодняшний день сельхозпроизводители заботятся не только о том, как и в каком количестве вырастить урожай, но и как обеспечить стабильный сбыт по максимальной цене, в каком виде реализовывать его,

36

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

чтобы обеспечить высокую рентабельность. Для экономически эффективного сбыта картофеля необходимо проводить его

предпродажную подготовку, которая включает в себя сухую очистку или мойку с последующей упаковкой в потребительскую тару. Наиболее высокие органолептические свойства продукта достигаются при мойке.

Обзор машин для мойки картофеля показал, что наибольшее распространение получили моечные машины барабанного типа. Их отличает высокая надежность, простота конструкции. Однако представленные на рынке машины для мойки картофеля в большинстве случаев высокопроизводительны, немобильны и ограниченно

комплектуются по блочно-модульному признаку, что ограничивает их использование в крестьянских (фермерских) хозяйствах, где отсутствуют специальные цеха для предреализационной доработки картофеля. В связи с этим ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии разрабатывает мойку барабанного типа малой производительности для крестьянских (фермерских) хозяйств.

Для обоснования основных параметров и режимов работы использовали теоретические выкладки из смежных отраслей. Вопросы, связанные с анализом работы цилиндрических барабанов горнообогатительных и зерноочистительных машин, рассматривались в работах Л. Б. Левенсона, М. Н. Летошнева, В. М. Осецкого, Г. Д. Терехова, М. Я. Резниченко и др [0, 0]. Барабанные моечные машины имеют ряд специфических особенностей.

В отличие от применения барабанов в горнообогатительных и зерноочистительных машинах, где не предъявляется требование подъема материала вверх по внутренней стенке в процессе сепарации, для барабанных моечных машин это требование является одним из основных и режимы движения обрабатываемого материала (почва, клубни) должны в наибольшей мере способствовать протеканию рабочего процесса мойки и не вызывать повреждений клубней.

При очень медленном вращении цилиндрического барабана центробежную силу можно не учитывать, тогда частица будет находиться под действием двух сил (рис. 1, а): силы тяжести G = mg и силы трения F = fG ■ cos д, где f - коэффициент трения частицы о поверхность барабана; д - угол поворота барабана [0].

37

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2014. Вып. 85.

Рис. 1. Схема силового воздействия на частицу, находящуюся:

а) - на неподвижной цилиндрической поверхности; б) - на вращающейся цилиндрической

поверхности

Частица будет увлекаться цилиндрической поверхностью до тех пор, пока сила трения превосходит по величине составляющую веса частицы

G • sin р .

Скатывание частицы начинается при f < G • sin р. Подставив значение F, получаем условие скатывания:

f • G • cos р< G • sin Р(1)

или, поскольку f = tgp, условие скатывания запишется как р = р.

Частица начнет скатываться, когда угол р станет больше угла трения

р.

При вращении барабана с угловой скоростью о (рис 1.), кроме силы тяжести G = mg, силы трения f = fN и нормальной реакции поверхности барабана, на частицу будут действовать силы инерции J: нормальная:

J' = m— = mRo1 n R

(2)

и тангенциальная:

r d— ^do

Jt = m— = mR-----

dt dt

(3)

где R - радиус барабана, м;

— - линейная скорость, м/с; о - угловая скорость частицы, с-1.

В случае, когда частица сохраняет относительный покой на стенке барабана, j = о. Частица останется в покое до тех пор, пока составляющая

38

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

веса g ■ sin р не превзойдет силу трения, которая равна:

F = fN = f (G ■ cos р + mRa2)

(4)

Условие равновесия:

f (G ■ cos p+mRa2') = G ■ sinр. (5)

Влияние центробежной силы проявляется в том, что частица поднимается цилиндрической поверхностью выше, чем при отсутствии этой силы.

Угол поворота барабана, при котором происходит подъем частицы Рп с учетом действия центробежной силы:

Рп = ф + arcsin

a2R .

---sm^ ,

g

(6)

т. е. угол подъема рп больше угла трения ф.

Частота вращения, при которой осуществляется подъем материала на заданный угол,

пб =

30 g ■ sin(pn -ф)

R ■ sin фп

[0].

(7)

Если р > ^, частица переходит во II квадрант, в котором создаются

условия для ее отрыва от поверхности, что неприемлемо для картофелемоечных машин из условий не повреждаемости клубней картофеля. То есть, для нашего случая рпт = 900.

Для определения минимального угла подъема клубня картофеля по внутренней поверхности барабана из-за конструктивных особенностей приведем расчетную схему (рис. 2).

Из схемы видно, что клубень начнет скатываться при условии, что центр силы тяжести выйдет за переделы опоры (щеточная вставка). Это произойдет при выполнении условия:

r - h

у > arccos-,

r

где у - предельный угол, при котором центр тяжести выйдет за пределы опоры, град.;

r - радиус клубня, мм. Примем в расчетах r = 30 мм; h - высота профиля щетки, h = 20 мм.

39

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2014. Вып. 85.

Рис. 2. Схема для определения минимального угла подъема клубня картофеля

по внутренней поверхности барабана

Полученное выражение используем в расчетах как угол трения. Определим максимальную частоту вращения барабана, при котором клубень картофеля начнет переходить во второй квадрант (рис. 1 б):

^max

30

3,14

,141

30 - 20

9,8 • sin(90 - arccos----)

, 30 - 20.

0,4 • sin(arccos------)

30

30 = 28 мин-1.

Определим угол поворота барабана, при котором клубень начнет скатываться вниз:

r — h

Pmn = 90 — arcc0s-.

r

Производительность разрабатываемой барабанной мойки определяется из условия:

Q = 3600 • v • p• n6 • k,

где v - объем вычерпывающего устройства, м3; p - плотность клубней картофеля, кг/м3;

k - коэффициент заполнения вычерпывающего устройства. С учетом конструктивных особенностей, k = 0,1.

Так как вычерпывающее устройство представляет собой усеченный конус с радиусом нижнего основания rH = 100 мм, верхнего основания rB = 50 мм и высотой h = 150 мм,

1

1

v = -п^h • (r + r • r + r, ) = -• 3,14 Л50• (1002 +100 • 50 + 502) = 2,74 •103м3

3

3

40

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

Производительность машины:

Q = 3600 • 2,74 -103 -1,01 • 2,71- 0,1 = 2,7 т/ч.

Полученные выражения использовались при разработке экспериментального образца барабанной мойки картофеля для крестьянско-фермерских хозяйств (рис. 3). Качественный анализ процесса движения картофеля в поперечном сечении вращающегося барабана позволяет сделать следующие выводы:

- после прекращения вращения барабана картофель скатывается на низ барабана;

- переход клубней картофеля от покоя к движению и наоборот определяется равновесием клубней на открытой поверхности;

- материал образует замкнутый поток вокруг центра циркуляции и состоит из поднимающегося и скатывающегося слоев.

Рис. 3. Барабанная мойка картофеля конструкции ГНУ СЗНИИМЭСХ:

1 - моечный барабан; 2 - щеточная вставка; 3 - загрузочный лоток; 4 - люк; 5 -бак; 6 - выгрузной лоток; 7 - мотор-редуктор; 8 - конусный барабан; 9 -

вычерпывающее устройство

Принцип работы мойки следующий. Обрабатываемый картофель подается через входной лоток 3 в моечный барабан 1, который частично погружен в воду. Попадая во внутрь моечного барабана клубни картофеля подвергаются активному воздействию щеток 2. За счет постоянной подачи картофеля и в следствии самовытеснения, клубни продвигаются вдоль моечного барабана и выгружаются порционно зачерпывающим выгрузным устройством 9. Далее клубни попадают во второй барабан 8, где с них стекает свободная вода в бак 5. Благодаря конусности второго барабана 8 клубни картофеля под действием силы тяжести попадают на

41

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

____________ГНУ СЗНИИМЭСХРосселъхозакадемии. 2014. Вып. 85._________

выгрузной лоток и выносятся далее на подъемный транспортер. После мойки загрязненную воду сливают через герметичный люк 4 и очищают осадок на дне. Мобильность достигается за счет установки мойки на опорные самоустанавливающиеся колеса (на рис. 3 не показаны).

Для оптимизации параметров и режимов работы мойки были проведены экспериментальные исследования. В ходе предварительных исследований определили значимые факторы и уровень их варьирования (табл. 1), которыми являются частота вращения моечного барабана А, угол его наклона В и подача исходного материала С.

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Частота вращения барабана, мин-1 Подача исходного материала, т/ч. Угол наклона барабана, град.

Нижний уровень (-) 10 0,5 +2,5

Основной уровень (0) 20 1 0

Верхний уровень (+) 30 1,5 -2,5

Критерием оптимизации является эффективность мойки, которая определялась по уравнению:

5 = аисх ~а°ст -100%, (8)

а

исх

где аисх - исходная загрязненность, %; аост - остаточная загрязненность, %.

Исходная загрязненность определяется:

а.

m - шъ шз

-100%,

(9)

где m - масса исходных клубней, кг;

т - масса клубней, отмытых вручную, кг.

Остаточная загрязненность определяется по формуле:

42

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.______________________________________

ш2 - ш3 т3

•100%,

(10)

где m - масса клубней, очищенных машиной, кг.

Эффективность очистки картофеля определяется после пропуска через машину не менее 20 кг картофеля. Отбор проб проводится за период времени накопления на выходе не менее 100 клубней.

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 2.

Результаты экспериментальных исследований

Таблица 2

№ п/п Частота вращения барабана, мин-1 (фактор А) Подача исходного материала, т/ч. (фактор В) Угол наклона барабана , град (фактор С) Исходная загрязненн ость, % Остаточная загрязненность, % Эффективность мойки, %

1 10 0,5 0 2,541 0 100

2 30 0,5 0 2,737 0,002 99,9

3 10 1,5 0 1,369 0,009 99,3

4 30 1,5 0 1,891 0,028 98,5

5 10 0,5 -2,5 2,843 0 100,0

6 30 0,5 -2,5 2,596 0,005 99,8

7 10 1,5 2,5 2,169 0,03 98,6

8 30 1,5 2,5 2,327 0,069 97,0

9 20 1 -2,5 1,772 0 100

10 20 1 -2,5 1,974 0 100

11 20 1 2,5 2,345 0,03 98,7

12 20 1 2,5 2,185 0,054 97,5

13 20 1 0 2,353 0,004 99,8

14 20 1 0 1,914 0,013 99,3

15 20 1 0 1,896 0,005 99,7

Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью статистического пакета STATGRAPHICSPlus. После удаления незначимых коэффициентов получили уравнение регрессии:

S = 99,6 - 0,337А - 0,41В - 1,0С - 0,35АС - 0,3ВС - 0,562С2.

Графический анализ математической модели в виде поверхностей и их сечений для сочетаний факторов AB, AC, CB приведены на рис. 4, 5, 6.

43

Рис. 4. Поверхность отклика и её сечения при воздействии факторов A и B.

Фактор C на нулевом уровне

Рис. 5. Поверхность отклика и её сечения при воздействии факторов A и C.

Фактор B на нулевом уровне

Рис. 6. Поверхность отклика и её сечения при воздействии факторов B и C.

Фактор A на нулевом уровне

T'V KS KS KS

Решение оптимизационной задачи по полученной математической модели, позволило получить оптимальные значения факторов, при которых достигается максимум зависимой переменной.

44

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.________________________________________

Таблица 3

Оптимальные параметры мойки картофеля

Factor Low High Optimum

Factor A -1,0 1,0 0,052

FactorB -1,0 1,0 -0,99

FactorC -1,0 1,0 -0,608

Оптимальные параметры при уровне доверительной вероятности 0,95: A = 0,052; B = -1,0; C = -0,609, что соответствуют: частоте вращения барабана - А = 20,5 мин-1; подаче исходного материала - В = 0,5 т/ч; углу наклона барабана - С = 1,5 град. При этом эффективность мойки составила - 99,8%

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коротич В.И. Анализ движения сыпучего материала во вращающемся цилиндрическом барабане // Горный журн., 1964. № 12. С. 134-141.

2. Першин В.Ф., Однолько В.Г., Першина С.В. Переработка сыпучих материалов в машинах барабанного типа. М.: Машиностроение, 2009. 220 с.

3. Петров Г.Д. Картофелеуборочные машины М.: Машиностроение, 1972.

4. Трофимов А.В. Исследование движения сыпучих материалов во

вращающихся барабанах без внутренних устройств: дис. канд. техн.

наук. М., 1973.

45