Обоснование конструкции и параметров устройства для отделения ботвы корнеплодов

Введение. Корнеплоды наряду с другими овощами являются важной частью рациона человека, существенным образом влияя на качество его питания [1–3]. Особенность возделывания корнеплодов в нашей стране заключается в том, что подавляющее их большинство производится в личных и других хозяйствах малых форм [4, 5]. Как правило, в таких хозяйствах практически все операции выполняются вручную, что приводит к относительно низкой производительности и значительным затратам труда. Особенно высокой трудоемкостью при возделывании корнеплодов отличаются операции уборки и предпродажной подготовки урожая [6, 7].

Отдельными изобретателями и рационализаторами предпринимались попытки разработки средств малой механизации для облегчения труда при уборке корнеплодов. Как правило, авторы предлагали к использованию стационарные машины, в которых в качестве несущего элемента используется диск или барабан с дискретно расположенными фиксаторами (отверстиями, захватами, зажимами и т.д.), а в качестве отделителя ботвы и (или) корешков – приводимый от электродвигателя режущий аппарат с системой установки высоты среза [7–12].

Недостатками таких устройств являются: сложность конструкции, особенно режущих аппаратов; необходимость «попадания» головкой корнеплода в фиксатор, как следствие – неоправданное снижение его частоты вращения, уменьшение производительности машины, повышенная утомляемость оператора; высокая вариативность размеров корнеплодов даже в рамках одного сорта, что затрудняет выбор параметров несущих элементов и их фиксаторов.

В связи с этим целью представленного исследования является разработка конструкции и определение некоторых рациональных параметров универсального устройства для отделения ботвы корнеплодов с учетом их потенциального использования в хозяйствах малых форм.

Методика исследования. Очевидно, что применяемое в малом хозяйстве техническое устройство должно иметь низкую стоимость, быть универсальным и при этом – простым в устройстве и эксплуатации. На основании проведенного патентного поиска, применительно к хозяйствам малых форм, нами предлагается конструкция установки для отделения ботвы корнеплодов (рисунок 1), которая содержит основание 1 с электромотором 2 и элементами трансмиссии 3. В верхней части основания 1 закреплена рама 4, в которой расположены неподвижная плита 5 и подвижная плита 6. На каждой из них размещены неподвижный подшипниковый узел 7 и подвижный подшипниковый узел 8, на валах которых закреплены шкивы 9, связанные клиновым ремнем 10. Каждая пара шкивов 9, связанных клиновым ремнем 10, сверху закрыта кожухом 11. При этом каждый кожух 11 имеет полку, расположенную параллельно плоскости «своей» плиты. Кожухи 11 сконструированы и ориентированы таким образом, что их полки обращены друг к другу и при этом максимально приближены к верхним плоскостям шкивов 9. На верхних гранях полок кожухов 11 расположена выполненная из упругого материала копирующая пластина 12 с направляющей прорезью и закрепленный на её нижней грани нож 13. Причем соединение копирующей пластины 12 с полками кожухов 11 обеспечивает возможность регулировки их взаимного расположения, с последующей фиксацией, или замены копирующей пластины 12 на другую – с большей или меньшей шириной направляющей прорези.

Также к кожуху 11 крепится скатная доска 14. Кроме прочего над неподвижной плитой 5 и подвижной плитой 6 размещен фиксатор 15 (рисунок 2), а между плитами – один или два калибровочных упора 16. Грань подвижной плиты 6, обращенная от неподвижной плиты 5, контактирует с регулировочными упорами 17, а подвижные подшипниковые узлы 8 – с механизмами регулировки натяжения ремней. При этом нижний конец вала неподвижного подшипникового узла 7, закрепленного на неподвижной плите 5, посредством элементов трансмиссии 3 связан с электродвигателем 2. Кроме того, рама 4 закреплена на остове 1 таким образом, что неподвижная плита 5 и подвижная плита 6 ориентированы под углом к горизонту так, что неподвижные подшипниковые узлы 7 расположены ниже подвижных подшипниковых узлов 8.

Предложенная установка для отделения ботвы корнеплодов работает следующим образом.

Рисунок 1 – Схема предложенной установки для обрезки ботвы корнеплодов

Рисунок 2 – Схема предложенной установки для обрезки ботвы корнеплодов с демонтированными защитными кожухами

Рабочий берет растение за головку корнеплода, ботвой вниз, и закладывает его между полками кожухов 11 так, чтобы головка корнеплода касалась их верхних граней. Затем ботва захватывается и перемещается парой клиновых ремней 10, при этом один из ремней приводится через шкив 9 и элементы трансмиссии 3 от электродвигателя 2, а второй – за счет трения о приводимый ремень 10 (непосредственно напрямую или посредством ботвы обрезаемого корнеплода).

При перемещении растения головка корнеплода и ботва попадают в направляющую прорезь копирующей пластины 12 и далее скользят по ней. Под совместным воздействием копирующей пластины 12 и клиновых ремней 10 растение «растягивается» и располагается таким образом, что головка корнеплода плотно прилегает к верхней грани копирующей пластины 12, частично погружаясь в направляющую прорезь. При этом, чем меньше будет расстояние от ремней 10 до копирующей пластины 12, тем меньше вероятность проявления нежелательного «растягивания» растений в плоскости, параллельной верхним граням шкивов 9. При дальнейшем перемещении растения ботва в месте её сочленения с головкой корнеплода упирается в лезвие ножа 13 и перерезается. Срезанная головка корнеплода за счет начального угла ориентации рамы 4 и приобретенной кинетической энергии сбрасывается на скатную доску 14, по которой скатывается в приемную емкость (на схемах не показана), а отделённая ботва транспортерами выбрасывается в другую ёмкость (не показана). Наличие одного или двух калибровочных упоров 16, регулировочных упоров 17 в сочетании с фиксаторами 15, а также способ соединения сменной копирующей пластины 12 с полками кожухов 11 обеспечивают возможность настройки устройства для работы с различными видами корнеплодов, отличающихся характерными линейными размерами.

В устройстве предложенной конструкции качество удаления ботвы существенно будет зависеть от того, насколько параметры копирующей пластины соответствуют размерным и фрикционным характеристикам частей обрабатываемых растений. Рассмотрим на примере растений редиса влияние на формирование места среза ботвы таких параметров пластины, как ширина направляющей прорези ( b п на рисунке 3) и геометрия фасок на её рабочих поверхностях ( t нп и β на рисунке 3).

Рисунок 3 – Схема взаимного расположения корнеплода и направляющей прорези копирующей пластины

При анализе процесса взаимодействия копирующей пластины, ножа и корнеплода предварительно примем некоторые допущения:

– обрезаемый корнеплод по форме близок к сфероиду;

– приведенный диаметр корнеплода определяется как среднее значение между его шириной и длиной;

– под воздействием копирующей пластины головка корнеплода не деформируется;

– при отделении ботвы растение расположено так, что его продольная ось ориентирована перпендикулярно по отношению к верхней грани копирующей пластины;

– линия среза совпадает с плоскостью нижней грани копирующей пластины.

В качестве оптимизируемого критерия примем «дефект среза» – разницу между оптимальным и текущим расчетным значением расстояния от центра условно сферического корнеплода до линии среза ботвы (1). В случае если текущее значение этого параметра больше оптимального, то будет наблюдаться явление «недореза» (останется существенный участок несрезанной ботвы). Если текущее значение параметра превысит оптимальное, будет проявляться «перерез» ботвы (ножом будет удаляться часть головки корнеплода).

M i — l_O p _t - l i , (1) где l_opt - оптимальное значение расстояния от центра условно сферического корнеплода до линии среза, м;

l_i - расчетное текущее значение расстояния от центра условно сферического корнеплода до линии среза, м.

В случае выбора рациональных параметров копирующей пластины и направляющей прорези среднее значение дефекта среза будет стремиться к нулю:

Ml ср — ^0,        (2)

где N - число исследованных растений корнеплодов, шт.

Оптимальное значение расстояния от центра условно сферического корнеплода до линии среза рассчитывается с использованием выражения loPt — 0,5^Dl - dli,          (3)

где D_i - приведенный диаметр условно сферического корнеплода, м;

dli - диаметр группы стеблей ботвы в рациональном месте их среза, м.

Расчетное текущее значение расстояния от центра условно сферического корнеплода до линии среза lt может быть определено геометрически с использованием представленной на рисунке 3 схемы li — 0,5 Di cos а + Mi + tнп,       (4)

где t нп - высота вертикальной грани на стенках направляющей прорези, м;

M_i - вертикальное расстояние от нижнего ребра фаски направляющей прорези до точки её контакта с корнеплодом, м.

Mt i — Mx i tgp ,               (5)

где Mx_i - горизонтальное расстояние от нижнего ребра фаски направляющей прорези до точки её контакта с корнеплодом, м.

Mx_t — 0,5(D_tsinp -Ь п ) .        (6)

Соответственно li — 0,5DicosP+ 0,5(DisinP-Ьп)tgP+ tнп,               (7)

а                     M_t — 0,5ID l -d | _i-(0,5D_icosP + 0,5(D_isinp-Ь п )tgP + t нп ) .  (8)

В рамках представленной работы авторами было выполнено экспериментальное исследование физико-механических свойств редиса сортов «Селеста» и «Белокрайка» [6]. Полученные результаты позволили с помощью выражения (8) рассчитать искомые значения «дефекта резания» и определить его основные статистические характеристики (таблицы 1–3).

Результаты исследований и их обсуждение. В таблицах 1–3 приняты следующие обозначения: Ml _ср - среднее значение «дефекта резания», мм; σ Δ l – среднеквадратическое отклонение «дефекта резания», мм; Δ l max – максимальное значение «дефекта резания», мм; Δ l min – минимальное значение «дефекта резания», мм.

Таблица 1 – Статистические характеристики «дефекта резания» для редиса сорта «Белокрайка» при β = 45°

Показатель	Ь п =14 мм	Ь п=16 мм	Ь п =18 мм	Ь п=20 мм	Ь п=22 мм
при t нп =0,6 мм
А/ ср , мм	-0,78	0,22	1,22	2,22	3,23
σ Δ l , мм	1,04	1,04	1,04	1,04	1,04
Δ l max , мм	1,06	2,06	3,06	4,07	5,07
Δ l min , мм	-3,87	-2,86	-1,86	-0,86	0,15
при t нп =1,0 мм
А/ ср , мм	-1,18	-0,18	0,82	1,82	2,83
σ Δ l , мм	1,04	1,04	1,04	1,04	1,04
Δ l max , мм	0,67	1,67	2,67	3,67	4,67
Δ l min , мм	-4,27	-3,27	-2,27	-1,26	-0,26
при t нп =1,4 мм
А/ ср , мм	-1,58	-0,58	0,42	1,42	2,439
σ Δ l , мм	1,04	1,04	1,04	1,04	1,04
Δ l max , мм	0,26	1,26	2,26	3,26	4,26
Δ l min , мм	-4,67	-3,67	-2,67	-1,66	-0,65

Таблица 2 – Статистические характеристики «дефекта резания» для редиса сорта «Селеста» при β = 45°

Показатель	Ь п =14 мм	Ь п=16 мм	Ь п =18 мм	Ь п=20 мм	Ь п=22 мм
при t нп =0,6 мм
А/ср , мм	-1,07	-0,06	0,94	1,94	2,94
σ Δ l , мм	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
Δ l max , мм	1,01	2,01	3,01	4,02	5,02
Δ l min , мм	-3,49	-2,48	-1,48	-0,48	0,52
при t нп =1,0 мм
А/ ср , мм	-1,47	-0,46	0,54	1,54	2,54
σ Δ l , мм	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
Δ l max , мм	0,61	1,61	2,61	3,62	4,62
Δ l min , мм	-3,89	-2,88	-1,88	-0,88	0,12
при t нп =1,4 мм
А/ ср , мм	-1,87	-0,86	0,14	1,14	2,14
σ Δ l , мм	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
Δ l max , мм	0,21	1,21	2,21	3,22	4,22
Δ l min , мм	-4,29	-3,28	-2,28	-1,28	-0,28

Данные таблиц 1–3 позволяют сделать ряд предварительных выводов:

• 1.    Увеличение ширины направляющей прорези Ь п в копирующей пластине ведёт к росту вероятности «перереза» ботвы, причем интенсивность прироста «перереза» в среднем составляет около 1 мм на 2 мм приращения ширины направляющей щели.

• 2.    Размерные характеристики корнеплодов, обусловленные их сортностью, существенно влияют на значение «дефекта резания». В отдельных случаях его величина изменяется на 15% и более при переходе с одного сорта на другой и сохранении геометрических параметров копирующей пластины.

• 3.    Неравномерность значений «дефекта резания» зависит только от вариативности размеров корнеплодов и не связана с геометрическими параметрами копирующей пластины. Также от её параметров не зависит диапазон изменения «дефекта резания».

• 4.    При заданных параметрах высоты вертикальной грани на стенках направляющей прорези ( t нп = 0,6^1,4 мм), в среднем для рассмотренных сортов редиса, рациональным при принятых допущениях можно считать ширину прорези 16–18 мм.

Таблица 3 – Обобщенные статистические характеристики «дефекта резания» для редиса сортов «Белокрайка» и «Селеста» при β = 45°

Показатель	й п =14 мм	й п=16 мм	й п=18 мм	й п=20 мм	й п=22 мм
при tнп =0,6 мм
AZ ср , мм	-0,93	0,08	1,08	2,08	3,08
σ Δ l , мм	1,03	1,03	1,03	1,03	1,03
Δ l max , мм	1,06	2,06	3,06	4,07	5,07
Δ l min , мм	-3,86	-2,86	-1,86	-0,86	0,15
при tнп =1,0 мм
А/ ср , мм	-1,33	-0,32	0,68	1,68	2,68
σ Δ l , мм	1,03	1,03	1,03	1,03	1,03
Δ l max , мм	0,66	1,66	2,66	3,67	4,67
Δ l min , мм	-4,26	-3,26	-2,26	-1,26	-0,25
при tнп =1,4 мм
А/ ср , мм	-1,73	-0,72	0,28	1,28	2,28
σ Δ l , мм	1,03	1,03	1,03	1,03	1,03
Δ l max , мм	0,26	1,26	2,26	3,27	4,27
Δ l min , мм	-4,67	-3,66	-2,66	-1,66	-0,65

Рисунок 4 – Статистические распределения значений «дефекта резания» ботвы редиса, полученные расчетным путем на основе экспериментальных данных

Приведенные результаты характеризуют усредненные показатели работы предложенной установки, однако, с учетом неравномерности размеров корнеплодов, текущие значения ана- лизируемого показателя могут существенно отличаться от расчетных. На рисунке 4 представлено статистическое распределение расчетных значений «недореза» (Д^<0) и «перереза»

(( Дй >0) ботвы для исследованных растений редиса, полученных при следующих начальных условиях: t нп =1,0 мм; Ь п =17 мм и в =45°.

Сравнительный анализ теоретического (нормального) и экспериментального распределений значений «дефекта резания» (рисунок 4), проведенный с использованием критерия Пирсона, позволил заключить, что с вероятностью более 70% закон распределения «дефекта резания» можно считать нормальным. Относительно высокая ошибка такого утверждения может объясняться ограниченным количеством замеров растений (200 шт.). В целом, на основании полученного результата можно предположить, что вероятность появления «дефекта резания» менее одного миллиметра составит около 68%, а вероятность «дефекта резания» более двух миллиметров – меньше 5%.

Заключение. Для использования в хозяйствах малых форм была предложена конструкция установки для обрезки ботвы корнеплодов, в которой несущий элемент выполнен в виде двух примыкающих клиновых ремней, а копирующе-режущее устройство – в виде копирующей пластины, выполненной из упругой стали, с направляющей прорезью и размещенным на её нижней грани ножом. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований показала, что при обрезании растений редиса ширина направляющей прорези должна составлять 16–18 мм (при высоте её вертикальных граней около 1 мм и угле фаски 45°). На основании статистического анализа установлено, что вероятность появления «дефекта резания» менее одного миллиметра составит около 68%, а вероятность «дефекта резания» более двух миллиметров – несколько менее 5%. При этом увеличение ширины направляющей прорези в копирующей пластине ведёт к росту вероятности «перереза» ботвы с интенсивностью около 1 мм на 2 мм приращения ширины прорези.