где - коэффициент трения качения.

Таким образом, получено дифференциальное уравнение вторoгo порядка (9). Решение данного уравнения при начальных условиях имеет вид

(10)

где top - время ориентирования.

Таким образом зависимости (6) и (10) позволяют провести исследование перемещения и ориентирования калибруемых клубней на виброротационной сортирующей поверхности. В качестве условия перемещения клубней по (6) принимается скользящее движение клубней без перебрасывания относительно роторов при их вибрации. Решение уравнения (10) позволяет определить время необходимое для ориентирования клубней относительно калибрующих отверстий. Время ориентирования клубней ограничивается периодом пребывания их в пределах одного ряда калибрующих роторов.

Прямолинейные гармонические колебания без подбрасывания с двусторонним движением и мгновенными остановками, дают хорошие результаты для разделения клубней по ширине или толщине с помощью рабочих поверхностей, имеющих круглые или прямоугольные отверстия. Непрерывный контакт с сепарирующе-калибрующей поверхностью и отсутствие интервалов относительного покоя увеличивает вероятность просеивания клубней из нижнего слоя и уменьшает динамические нагрузки на рабочую поверхность, характерные для интенсивного подбрасывания. Просеивание отдельного клубня при его движении над калибрующим отверстием - явление случайное, вероятность которого для безотрывного движения подчиняется нормальному закону [6, 12] (11) где - скорость центра масс клубня относительно рабочей поверхности; - критическое значение скорости при р0 = 1/2.

Для сферического клубня диаметром d при равномерном движении над прямоугольным отверстием длиной D в горизонтальной плоскости

(12)

где R - коэффициент восстановления нормальной скорости тела при ударе о кромку отверстия.

При движении клубня с подбрасыванием вероятность просеивания существенно уменьшается вследствие уменьшения времени контакта с калибрующей поверхностью. Это происходит не только от увеличения нормальной составляющей ускорения рабочей поверхности и нарушения условия безотрывного движения, но и вследствие отражения клубня вверх при ударе о кромку калибрующего отверстия. Последнее наблюдается при движении тонкого слоя. Увеличение толщины вороха до некоторого оптимального значения Н* увеличивает вероятность просеивания, так как верхние слои, не испытывая непосредственно ударов, препятствуют отрыву от калибрующей поверхности клубней нижнего слоя. При Н > Н* подбрасывания по этой причине не происходит, но избыточное давление верхних слоев увеличивает трение между компонентами нижнего слоя, что затрудняет просеивание последних. Удельная производительность сепарирующе-калибрующей поверхности по проходу q, кг/(м2-с), пропорциональна числу клубней, прошедших над калибрующими отверстиями за 1 с и вероятности ра их просеивания:

(13)

где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от «живого» сечения поверхности, концентрации проходового компонента в нижнем слое, плотности и других свойств вороха.

Вблизи значения с увеличением возрастает число клубней, проходящих над отверстием в единицу времени, при незначительно убывающей вероятности Р; при дальнейшем увеличении и решающее влияние на q оказывает существенное уменьшение Р.

Для просеивания клубней, близких по форме к сферическим, оптимальными колебаниями сепарирующе-калибрующей поверхности являются круговые поступательные в горизонтальной плоскости, так как они позволяют обеспечить почти постоянное значение относительной скорости нижнего слоя, близкое к оптимальному. При прямолинейных колебаниях относительная скорость изменяется непрерывно периодически, и ее оптимальное значение .

Если форма клубней удлиненная, то более эффективными могут быть прямолинейные колебания, обеспечивающие определенную ориентацию клубней относительно калибрующего отверстия.

Относительное движение с подбрасыванием оказывается эффективнее безотрывного движения для сильно удлиненных тел в случае разделения по ширине при круглых отверстиях и для плоских тел в случае разделения по толщине при прямоугольных удлиненных отверстиях.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований представлена программа и методика экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.

В результате теоретических исследований выбрана общая схема устройства, определены конструктивные и кинематические параметры виброротационной сепарирующе-калибрующей рабочей поверхности. Для проверки теоретических предпосылок процессов сепарации примесей, калибрования клубней и обоснования параметров и режимов работы комбинированной поверхности виброротационного типа, проведены лабораторные и производственные экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования выполняли по разработанной программе, которая предусматривала изучение и определение наиболее важных факторов и их значений, которые определяют работоспособность устройства.

1. Программой лабораторно-полевых исследований предусматривалось следующее:

- Разработать конструкторскую документацию и изготовить экспериментальный образец устройства с комбинированной виброротационной сепарирующе-калибрующей рабочей поверхностью.

- Исследовать взаимодействие виброротационных рабочих органов с клубнями в процессе сепарации примесей и калибрования на фракции.

- Определить показатели качества сепарации примесей, обосновать рациональные параметры и режимы работы виброротационного сепаратора.

- Определить размерно-массовые и статистические характеристики используемого в опыте вороха картофеля.

- Исследовать процесс направленного ориентирования калибруемых клубней в отверстия при вибрации роторов.

- Изучить влияние основных факторов на процесс калибрования клубней, выявить рациональные параметры вибрации.

- Определить энергетические показатели работы устройства с комбинированной поверхностью виброротационного типа.

Программой экспериментальных исследований в производственных условиях предусмотрено:

- Определение эффективности и качества сепарации примесей и калибрования клубней на фракции в зависимости от подачи, состава вороха и влажности примесей.

- Исследование согласованности функционирования участков сепарирующе-калибрующей поверхности.

- Определение эксплуатационных характеристик экспериментального устройства и анализ повреждаемости клубней.

Лабораторные исследования комбинированной рабочей поверхности для выделения примесей, калибрования картофеля планировали провести в последовательности выполнения технологических операций. На первом этапе исследовать работоспособность сепарирующей поверхности, на втором участка калибрования совместно с сепаратором, так как участок сепарации предназначен для выделения примесей, а также равномерной подачи клубней на поверхность калибрования.

С целью исследования процесса сепарации примесей при безотрывном перемещении вороха, планировали выполнить полнофакторный эксперимент для определения полноты просеивания примесей. Опыты проводили в следующем порядке: при установленном режиме подачи вороха изменяли частоту и амплитуду вибрации роторов и определяли полноту сепарации, затем устанавливали другое значение подачи и в прежнем порядке проводили опыты. Значения подач обрабатываемой массы принимали равные (2,2 кг/c; 2,8 кг/c; 3,6 кг/c); угловой скорости вращения роторов 6,1 рад/c.

Виброротационная калибрующая рабочая поверхность применяется впервые, поэтому изучение процесса разделения клубней на фракции виброротационным устройством требует исследования влияния нескольких факторов, в связи с чем опыты проводились в два этапа.

На первом этапе проводились исследования по оптимизации параметра вибрации роторов для направленного разворота и ориентирования калибруемых клубней в отверстия. С этой целью произвели видеозапись траектории поворота клубней с момента подъема роторами до расположения их над калибрующим отверстием, при вибрации роторов с амплитудой - 1; 2; 3 мм и изменении частоты колебаний - 5; 10; 15 Гц.

Необходимость проведения данного опыта обусловлена тем, что процесс ориентированного разворота клубней при массовом перемещении вороха по вибрирующей роторной поверхности может отличаться от определенного теоретически, вследствие взаимодействия движущегося картофеля между собой.

Оценку качества работы машин для калибрования картофеля производят по производительности, степени повреждения клубней и коэффициенту точности калибрования. /43,99/.

Значение производительности комбинированной поверхности определили по формуле:

(14)

где, - масса картофеля в первом, втором и дополнительных контейнерах, кг; - время работы, мин.

. Расчет степени повреждений выполняли по формуле:

(15)

где, - относительное количество поврежденных клубней,%;

- количество поврежденных клубней;

- количество клубней в пробе.

Коэффициент точности калибрования клубней каждой фракции определили по формуле:

, (16)

где - масса клубней, выделенных в данную фракцию, и отвечающих ее требованиям; - общая масса клубней, выделенных в данную фракцию.

Сравнительные исследования калибрующих поверхностей разных конструкций /43,60,68,98/ показывают, что рабочие органы активного действия (ролики, диски, пружины) обладают большей удельной производительностью калибрования, чем устройства транспортерного типа и других конструкций.

По данным Шабурова Н.В., Лебедева Л.Я., Остроумова С.С., величина повреждений, наносимых роторно-пальцевыми рабочими поверхностями клубням при обработке картофельного вороха, значительно ниже чем роликовых, грохотов, металлических сеток и не превышает 3%. Учитывая предполагаемые преимущества вибрационного роторно-пальцевого калибрующего устройства в сравнении с другими, используем в качестве основного критерия оценки - точность калибрования клубней на фракции.

На следующем этапе было исследовано совместное влияние управляемых факторов, на основной оценочный критерий процесса калибрования, которым является точность разделения картофеля на фракции, методом факторного эксперимента. При планировании факторного эксперимента были проанализированы и учтены входные параметры оптимизируемого объекта, которые наиболее существенно влияют на процесс калибрования. Было учтено, что выбираемые факторы должны быть управляемыми, однозначными, совместимыми, независимыми и точность замеров уровней факторов должна быть выше точности

значений параметра оптимизации. Использование результатов теоретических исследований, предварительных экспериментов и данных исследований аналогичных устройств, позволили выбрать основные управляемые факторы для постановки факторного эксперимента в рациональной области.

В качестве наиболее значимых факторов были приняты следующие:

1. Подача вороха картофеля - q, кг/с;

2. Угловая скорость вращения роторов - w, рад/с;

3. Частота колебаний ротора - W, мм;

4. Амплитуда колебаний ротора - A, мм.

Для оптимизации параметров и режимов калибрующей поверхности реализовали план Бокса-Бенкина типа 34 в области близкой к стационарной в качестве критерия оценки приняли точность калибрования, определяемую по формуле:

Уравнение регрессии будет иметь вид

Общие выводы

1. В результате исследований выявлено, что вибрационные роторно-пальцевые рабочие органы обеспечивают эффективную сепарацию примесей и калибрование клубней в сложных почвенно-климатических условиях при удельной производительности 4,5…7 (кг /с) /м2 и снижении повреждений до 2%.

2. Придание вибрации роторно-пальцевой рабочей поверхности позволяет существенно повысить интенсивность процессов калибрования клубней за счет ускорения их ориентации в калибрующие отверстия и снижения сил внутреннего трения в слое.

3. На основании исследования динамики взаимодействия клубней с роторами установлена закономерность их перемещения по рабочей поверхности и определено, что угловая скорость роторов - 6 рад/с обеспечивает устойчивое перемещение клубней без подбрасывания и повреждений.

4. Амплитуда колебаний роторов - 3мм и частота 15 Гц позволяют снизить силы трения в слое и осуществить направленный поворот клубней при сокращении времени ориентации с 0,3 до 0,1с.

Страницы: 1, 2