CC BY
49
УДК 631.362.3:635.21
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЧАШЕЧНО-ДИСКОВОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СОРТИРОВКИ КАРТОФЕЛЯ
Максимов Л.М., д.т.н., профессор, Иванов А.Г., к.т.н., доцент, Шкляев К.Л., к.т.н., доцент, Шкляев А.Л., аспирант, ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА»
Предложена малогабаритная конструкция чашечно-дискового устройства для разделения клубней картофеля на фракции по размерному признаку. Общее устройство, принцип работы центробежной сортировки. Теоретическое обоснование режимов работы картофельной сортировки.
Ключевые слова: картофель, центробежная сортировка, режим; движение клубня.
Важнейшей операцией в технологии послеуборочной и предпосадочной обработке картофеля является операция разделения клубней картофеля на фракции [1, 3]. Потребность в сортировании существует независимо от назначения
Proposed space-saving design calyx-disk device for separation of potato tubers into fractions on the length basis. General arrangement, the principle of centrifugal sorting. Theoretical justification modes potato-tion sorting.
Keywords: potato, centrifugal sorting mode, the motion of the tuber.
клубней картофеля [2]. В связи с этим была предложена новая усовершенствованная конструкция чашечно-дисковой сортировки для разделения картофеля на фракции (рисунок 1).
1 - второе решето; 2-вал; 3-ступица; 4-первое решето; 5-обод кожуха; 6-приёмник; 7-рама;
8-редуктор; 9-подъемная планка; 10-выгрузной лоток мелкой фракции; 11- выгрузной лоток
средней
фракции; 12-подшипник; 13-питающий транспортер; 14-спица; 15- выгрузной лоток крупной
фракции; 16-сектор-обод
Рисунок 1 - Общий вид чашечно-дисковой сортировки
Клубни картофеля из бункера накопителя один слой по поверхности сортирующего
посредством ленточного подъемно-загрузочного рабочего органа. Клубни, под действием
транспортера 13 направляются на поверхность центробежных сил инерции, по мере поворота
первого диска 4, снабженного диска 4 движутся от центра к периферии по
крупнорешетчатои сетчатой стенкой.
Вращательное движение дискам 1 и 4 передаётся от вала 2, приводимого в движение электродвигателем через угловой редуктор 8. Поскольку диск 4 вращается, то поступающий на его поверхность поток клубней
рассредотачивается и равномерно распределяется в сгруживание на периферии и улучшая условия сортирования. При этом средние и мелкие клубни успевают сориентироваться и проваливаются через щелевые отверстия и попадают на второй диск 1, а крупные клубни под действием центробежных сил перемещаются по поверхности первого диска 4. Когда это движение ограничивает обод 5, клубни начинают сложное движение вдоль него, в одном месте обод снабжен сходным окном, клубни, достигая его, сходят с поверхности диска на выгрузной лоток 15 трапециевидной формы. Клубни, толщина которых равна или немного превышает ширину калибрующего отверстия, являются наиболее неблагоприятными с точки зрения прохождения через калибровочные отверстия, так как они застревают, глубоко западая в отверстия, и дальнейшее движение клубней прекращается. С этой проблемой удаётся справляться с помощью подъемной планки 9, она приподнимает запавшие клубни картофеля из щелевых отверстий и способствует их продвижению по поверхности решета, а так же сходу картофеля на выгрузной лоток. Планка установлена под дисками решет и вплотную прилегает одним краем к нижней стороне дисков, а вторым закреплена на удерживающей штанге консольно, установленной на раму 7.
Среднего и малого размера клубни попадают на мелкорешетчатую поверхность второго диска
спиралевидной траектории и для того чтобы уменьшить нагрузку на периферийную зону, в начальный момент сортирования, клубни встречают на своем пути ограничивающий сектор-обод 16. Часть вороха, задерживается какой-то период времени от движения к внешней части диска, тем самым уменьшая
1, где совершают аналогичное движение, как и на первой ступени, отличие заключается в том, что отсутствует ограничивающий сектор-обод. На второй ступени нет необходимости его установки, так как количество поступающего картофеля заметно снижается. Клубни малого размера проходят через отверстия и падают на поверхность неподвижного конусообразного приемника клубней 6 и, скатываясь по нему, сходят на выгрузной лоток 10 для мелкой фракции. Средние клубни не проходят через отверстия и сходят на лоток 11 для средней фракции.
Поскольку клубни картофеля свободно перекатываются по сетчатой поверхности, то уменьшается силовое воздействие на них, вследствие чего заметно снижается их повреждение. Конструктивная схема
технологична, проста в изготовлении, уравновешена и работает бесшумно и устойчиво.
Рассмотрим движение клубня вдоль направляющих прутков под действием внешних приложенных сил. Введем подвижную
естественную систему координат К2 ГпЬ
(рисунок 2). Нормальную К2П и касательную
К Г оси свяжем с точкой К касания клубнем прутка.
Рисунок 2 - Схема сил при сложном движении клубня вдоль направляющих прутков
На клубень действуют сила тяжести , нормальные реакции прутков и Ы2 сил
трения ^ и . При вращении решета клубни,
имеющие форму шара, начинают катиться вдоль направляющих прутков, отставая от вращающегося решета. Угловая скорость собственного относительно решета. Вследствие
этого на клубень Ф - центробежная переносная
сила инерции; Ф- нормальная составляющая
кориолисовои силы инерции.
Запишем дифференциальные уравнения
вращения клубня обозначена ф, где р- угол поворота клубня. Вследствие отставания клубня от вращающегося решета, центр масс С имеет касательную составляющую скорости относительно движущегося решета. Таким образом, имеет место сложное движение, в котором решето совершает переносное движение, а клубень движется действуют переносные силы инерции:
относительного движения в проекции на оси подвижной системы координат (в форме Эйлера), дополнив их уравнением динамики вращательного движения:
m ■ S = F + F
m
(Vт )2
= (N2 -Nl)■ sin0-Ф + Ф" =
(1)
N2 - N ■ sin © - m ■a»2 ■ r - 2 ■ m ■(■ф ■ R ■ cos 0,
0 = (N + N2) ■ cos0- m ■ g,
1 ■ ф = -(F + F) ■ R ■ cos©.
где m - масса клубня, кг; I- момент инерции клубня относительно центра масс, кг-м2; ф -угловое ускорение при собственном вращении клубня, рад/с; R- радиус клубня, м; ri - расстояние от оси вращения до центра масс клубня в данном ряду, м; (Ое -угловая скорость вращения решета, рад/с; 0 - угол западения клубня с диаметром
r
2Я в отверстие между прутками с диаметром й и расстоянием между прутками к, к
0 = аГОБШ - , рад.
2 • Я + й
Система уравнений (1) дополняется условием качения клубня без скольжения, т.к. прутки покрыты слоем вспененной резины для смягчения ударов:
5 = ф • Я • СОБ0,
(2)
где £ = Vг - скорость центра масс клубня, м/с.
Решая систему (1) и подставляя начальные условия ф г=0 = о, Vг получаем
г=о ^о
¡>п = 0,2 м/с,
ф
г=0
Я • СОБ0
= С , С2 =ф г=о = 0, ф =
Я•СОБ0
■г.
(3)
Таким образом, качение клубня вдоль направляющих концентрических прутков вращающегося решета происходит с постоянной угловой скоростью, определяемой по выражению (3):
ф =
Я•СОБ0
Скорость центра масс С клубня относительно решета остается постоянной, следовательно можно определить величину сил инерции и нормальных реакций опор из второго и третьего уравнения системы (1).
\
=
т • g 2•СОБ0
о 2
т • &2
+ т •о2 • г - 2 • т • т •
/(2 • бШ 0),
(4)
Г
т • ¡$1 2 „ Л -- + т •те • г - 2 • т • те • ¡>0
щ=-5-
2 • Бт 0 2 • СОБ0
Система уравнения (1) имеет смысл, только при условии, что обе нормальные реакции и Ы2 больше нуля (N¡>0 и Ы2>0). Анализ сил, рисунок 2, показывает, что при достаточной величине
угловой скорости решета ®е нормальная
реакция N¡ может стать равной нулю и в этот момент начнется движение вдоль радиуса.
Выразим из (4) условие, при котором реакция N¡ станет равной нулю:
Следовательно, необходимо искать рациональное и компромиссное решение для выбора угловой скорости. Назначенная скорость должна быть достаточной, чтобы обеспечить транспортировку большей части клубней от центра к периферии без дополнительных приспособлений. Но с другой стороны, требуется обеспечить минимальное значение скорости центра масс клубня при сходе с решета для снижения травмоопасности.
Список литературы
1. Колчин, Н.Н. Комплексы машин и
=
• Г • !ф + ¿о
Находим критическое значение скорости
(Ое для разных радиусов Г расположения
клубня и для разных размеров клубней. При размере к = 50 мм, диаметре прутков й = 5 мм, и радиусе г^ расположения центра масс клубня в пределах 0,2...0,6 м для условно проходных клубней с размером 2Я = 52 мм получаем критические значения угловой скорости решета
= 10,47.5,80 рад/с, что соответствует частоте вращения п = 100.55 мин-1.
оборудования для послеуборочной обработки картофеля и овощей / Н.Н. Колчин. - М.: Машиностроение, 1982. - 268 с.
2. Производство раннего картофеля в Нечерноземье / К. 3. Будин, А.И. Кузнецов, И.М. Фомин, Н. В. Шабуров - Л.: Колос, 1984, - 239 с
3. Хвостов В.А. Машины для замены ручного труда на уборке овощей // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1988. - №11. -С. 36-ХХ.
Г
