Результаты экспериментальных исследований сепарации вороха лука-севка на прутковом элеваторе с асимметрично установленными встряхивателями

Качество работы машины для уборки корнеплодов и лука определяется в первую очередь работой выкапывающего рабочего органа, т. к. от его типа и технологических параметров зависят конструктивно-технологические параметры сепарирующих устройств [1].

Теоретическим и экспериментальным обоснованием технологического процесса сепарации корнеклубнеплодов и луковиц в разное время занимались С. Н. Борычев, Н. В. Бышов, Н. И. Верещагин, Н. Ф. Диденко, Н. Н. Колчин, Р. Р. Камалетдинов, К. З. Кухмазов, Н. П. Ларю- шин, А. М. Ларюшин, Л. М. Максимов, А. А. Протасов, Э. С. Рейнгарт, Г. К. Рембалович, А. А. Сорокин, М. Б. Угланов, И. А. Успенский, Н. В. Фирсов, В. А. Хвостов, В. М. Це-циновский, В. И. Шляхетский и другие ученые.

Известно, что качество сепарации корнеплодов, лука и картофеля зависит прежде всего от условий возделывания. Как правило, данные культуры возделываются на легких по механическому составу почвах с целью повышения качества сепарации и снижения тягового сопротивления уборочной машины при извлечении корнеплодов из почвы.

При уборке корнеплодов для повышения качества сепарации очень важно поддерживать почву в рыхлом (вспушенном) состоянии.

При подкапывании корнеплодов происходит совместное поступление на сепарирующие рабочие органы прочных почвенных комков, которые являются трудноотделимыми с щелевых рабочих органов уборочных машин и способствуют повреждению корнеплодов при взаимодействии с комками почвы [2], что приводит к ухудшению товарных качеств производимой продукции.

Наиболее распространенными корнеизвлекающими рабочими органами машин для уборки корнеплодов и лука являются подкапывающие лемехи.

Основным недостатком данных рабочих органов является повышенный забор почвенного пласта совместно с корнеплодами, что приводит к снижению качественных показателей сепарации товарной продукции на очистительных рабочих органах [3].

Альтернативой подкапывающим рабочим органам являются теребильные рабочие органы. Технологический процесс их работы характеризуется сниженным извлечением почвенных комков совместно с корнеплодами; однако данные рабочие органы обладают повышенными потерями извлекаемой продукции, т. к. при уборке некоторых видов овощных корнеплодов и луковиц происходит отмирание ботвы и, как следствие, объект захвата теребильным рабочим органом отсутствует.

Предпосылкой для разрешения возникшей противоречивой ситуации является оснащение сепарирующих поверхностей уборочных машин различными видами интенсификаторов сепарации, которые при увеличении полноты отделения корнеплодов от почвенно-растительных примесей также повышают степень повреждения сепарируемой продукции.

Целью работы является повышение качества сепарации корнеплодов, луко- виц и картофеля на прутковом элеваторе с асимметрично установленными встряхивателями.

Обзор литературы

Анализ конструкций существующих машин для уборки корнеплодов и лука и изучение патентно-технической литературы позволили выявить недостатки в конструкции сепарирующих рабочих органов машин для уборки корнеплодов и луковиц [4], которые не позволяют обеспечить качественное выполнение технологического процесса сепарации товарной продукции.

Существует машина для уборки картофеля [5], состоящая из основных элементов, а именно подкапывающего лемеха 1 , сепарирующего пруткового элеватора 2 и поддерживающих стержней 3 (рис. 1).

Основной отличительной особенностью представленной выше уборочной машины является исполнение подкапывающего рабочего органа 1 (рис. 2) и сепарирующего пруткового элеватора 3 (рис. 3).

Подкапывающий рабочий орган представляет собой комбинацию рых-лительного ( 1 ) и подкапывающего ( 2 ) элементов с щелевыми отверстиями предварительной сепарации 3 , образованными рабочей поверхностью подкапывающего элемента 2 .

Рыхлительный элемент ( 1 ) подкапывающего рабочего органа осуществляет предварительное рыхление подкапываемого почвенного пласта с целью сокращения поступления почвенных комков на сепарирующие рабочие органы, интенсифицируя процесс очистки корнеплодов от соизмеримых почвенных комков, а также снижая величину повреждений товарной продукции от соударений с почвенными комками на прутковом элеваторе уборочной машины.

Подкапывающий элемент 2 осуществляет извлечение корнеплодов из почвы с предварительной сепарацией через щелевые отверстия предварительной сепарации 3 .

Р и с. 1. Общий вид машины для уборки корнеплодов: 1 – подкапывающий орган; 2 – сепарирующий прутковый элеватор; 3 – поддерживающие стержни

F i g. 1. General view of a machine for harvesting root crops:

1 – scrounging; 2 – separating rod elevator; 3 – supporting rods

Р и с. 2. Общий вид подкапывающего органа: 1 – рыхлительный элемент;

• 2    – подкапывающий элемент; 3 – щелевые отверстия предварительной сепарации

F i g. 2. General view of the digging body: 1 – ripping element;

2 – digging element; 3 – slotted preseparation apertures

Р и с. 3. Общий вид сепарирующего пруткового элеватора: 1 – пруток; 2 – стержень

F i g. 3. General view of the separating rod elevator: 1 – bar; 2 – kernel

94                                    Технологии и средства механизации сельского хозяйства

К недостаткам данного подкапывающего органа следует отнести повышенные потери корнеплодов через щелевые отверстия 3 подкапывающего элемента 2 ; кроме того, данное конструктивное исполнение подкапывающего рабочего органа не снижает величину повреждений сепарируемой продукции на прутковом элеваторе ввиду недостаточного рыхления почвенного слоя расположения корнеплодов.

Для интенсификации процесса сепарации вороха корнеплодов сепарирующая поверхность пруткового элеватора выполнена с расположенными на прутках 1 стержнями 2 (рис. 3).

Основным назначением стержней является разрушение почвенных комков, поступающих с подкапывающего рабочего органа уборочной машины. Однако, кроме процесса разрушения непосредственно почвенных комков, происходит интенсивное силовое воздействие стержней 2 на корнеплоды, что повышает степень повреждения сепарируемой продукции.

Известна конструкция сепарирующего пруткового элеватора (рис. 4), интенсификатором сепарации в котором является пассивный двухплечико- вый встряхиватель 4, расположенный под верхней ветвью полотна пруткового элеватора 3 [6].

Кроме того, передняя часть полотна пруткового элеватора со стороны подкапывающего лемеха 9 совершает колебания в вертикальной плоскости при воздействии кронштейна крепления 6 подкапывающего лемеха 9 на поддерживающий ролик 5 , что обеспечивает дополнительное силовое воздействие на почвенный пласт и тем самым интенсифицирует процесс сепарации почвеннорастительных примесей.

К недостаткам данной конструкции пруткового элеватора следует отнести повышенное повреждение корнеплодов при переходе с одного каскада на другой, а также невозможность рассредоточения вороха корнеплодов по всей ширине транспортера.

Анализ технических средств механизированной уборки корнеплодов позволяет сделать вывод о том, что функционирующие элементы уборочной машины с различными типами интенсификаторов сепарации не обеспечивают качественные показатели уборки корнеплодов по таким показателям, как полнота сепарации и повреждение корнеплодов.

Р и с. 4. Схема сепарирующего пруткового элеватора:

1 – рама; 2 – тяга; 3 – прутковый элеватор; 4 – двухплечиковый встряхиватель;

5 – поддерживающий ролик; 6 – кронштейн крепления;

7 – промежуточный кронштейн; 8 – эксцентриковый вал; 9 – подкапывающий лемех;

10 – крепление лемеха

F i g. 4. The scheme of separating bar elevators: 1 – frame; 2 – thrust; 3 – bar elevator;

4 – double-shoulder shaker; 5 – support roller; 6 – mounting bracket;

7 – intermediate bracket; 8 – eccentric shaft; 9 – scrounging; 10 – bracing

Материалы и методы

Исследования проведены в соответствии с методикой СТО АИСТ 8.7-2013 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки овощных и бахчевых культур. Методы оценки функциональных показателей»1.

Для обеспечения качественных показателей сепарации корнеплодов и луковиц разработан сепарирующий транспортер корнеклубнеуборочной машины (патент РФ на изобретение № 2638190 [7‒9]), изображенный на рис. 5.

Сепарирующий транспортер машины для уборки корнеплодов и лука содержит раму 1 с прутковым элеватором 2, под верхней ветвью которого установлены ведущие 3, ведомые 4 и поддерживающие 5 ролики и встря-хиватели 6. Встряхиватели 6 и поддерживающие ролики 5 расположены по обеим сторонам пруткового элевато- ра с чередованием по длине и ширине и несовпадением фаз их подъема и опускания противоположных сторон пруткового элеватора 2.

При данном расположении встряхи-вателей 6 и поддерживающих роликов 5 на сепарирующем транспортере обеспечивается щадящий режим сепарации корнеплодов при повышении качества сепарации в результате увеличения пути и времени взаимодействия корнеплодов с поверхностью пруткового элеватора 2 за счет бокового перемещения сепарируемого продукта при минимальном повреждении. Данное обстоятельство обеспечивается режимом работы встря-хивателей 6 , расположенных под противоположными сторонами пруткового элеватора 2 в противофазе. При этом ворох корнеплодов и луковиц совершает перемещение с противоположных сторон расположения встряхивателей 6 под прутковым элеватором 2 к стороне

Р и с. 5. Схема сепарирующего пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей: 1 – рама; 2 – прутковый элеватор; 3 – ведущий ролик; 4 – ведомый ролик;

5 – поддерживающий ролик; 6 – встряхиватель

F i g. 5. The scheme of a separating rod elevator with asymmetrical arrangement of shakers: 1 – frame; 2 – bar elevator; 3 – driving roller; 4 – driven roller; 5 – support roller; 6 – shaker расположения поддерживающих роликов 5 (рис. 6).

Сепарирующий транспортер корне-клубнеуборочной машины работает следующим образом. Ворох корнеплодов с подающего транспортера или с подкапывающего рабочего органа поступает на прутковый элеватор 2. По мере продвижения вороха по прутковому элеватору 2 происходит подъем стороны 7 пруткового элеватора 2 встря-хивателем 6. Подъем и дальнейшее перемещение вороха достигается в результате приобретения ускорения, сообщаемого встряхивателем 6 прутковому элеватору 2, которое больше ускорения свободного падения. В результате подъема встряхивателем 6 стороны пруткового элеватора 2 и опускания противоположной стороны ворох корнеплодов совершает перемещение от стороны расположения встряхивателей 6 к стороне расположения поддерживающих роликов 5, что обеспечивает смещение вороха к центру пруткового элеватора 2 под углом α к горизонту и приводит к деформации почвенного пласта путем его излома и разрыхления, а также равномерному распределению вороха по всей ширине рабочей поверхности пруткового элеватора 2 и улучшению процесса сепарации. Для определения качественных показателей сепарации вороха корнеплодов, а именно луковиц лука-севка сорта «Штутгартер Ризен», на прутковом элеваторе с установленными пассивным эллиптическим встря-хивателем и поддерживающим роликом была изготовлена лабораторная установка, общий вид которой представлен на рис. 7.

Определены следующие качественные показатели сепарации:

– повреждения луковиц лука-севка (формула 1);

– полнота сепарации вороха лука-севка [10].

Повреждения луковиц определялись по формуле:

Π =    ^{G ΠΟΒ}    ⋅ 100%,    (1)

G -G CT    ΠΟΒ где GПОВ ‒ масса поврежденных стандартных луковиц в ворохе, кг; GСТ ‒ масса сепарируемых луковиц в ворохе, кг.

Полноту сепарации вороха лука-севка определяли по формуле:

„ v„ v = v .v • 100%,      (2)

v П где vп - масса почвенных примесей в исходном ворохе, кг; vÏK ‒ масса почвенных примесей в контейнере (невыделенные примеси), кг.

Состав вороха и основные физикомеханические свойства его компонен-

Р и с. 6. Технологический процесс работы сепарирующего пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей

F i g. 6. Technological process of work scheme of a separating rod elevator with asymmetrical arrangement of shakers

Р и с. 7. Общий вид лабораторной установки для определения влияния технологических параметров сепарирующего пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей на качественные показатели сепарации вороха лука-севка: 1 – рама; 2 – емкость для предварительного размещения вороха;

• 3    – сепарирующий прутковый элеватор; 4 – эллиптический встряхиватель;

• 5    – цилиндрический ролик; 6 – брезент сепарированной продукции; 7 – электродвигатель;

• 8    – редуктор одноступенчатый; 9 – преобразователь частотный; 10 – передача цепная;

• 11    – стойки опорные; 12 – стойки встряхивателей; 13 – кронштейн соединительный;

14 – плита опорная; 15 – фильтр сетевой

F i g. 7. General view of the laboratory installation for determining the influence of the technological parameters of a separating rod elevator with the asymmetric arrangement of the shakers on the qualitative indicators of heap separation: 1 – frame; 2 – container for preliminary placement of heaps; 3 – separating rod elevator; 4 – elliptical shaker; 5 – cylindrical roller; 6 – canvas of separated products; 7 – electric motor; 8 – single-stage reducer; 9 – frequency converter; 10 – transmission chain; 11 – support pillars; 12 – shaker stands; 13 – bracket connecting;

14 – support plate; 15 – network filter тов были выбраны с учетом результатов полевых исследований, проведенных в 2015–2016 гг. в АО «Озеры» (Московская область) при влажности почвы 18 %: луковицы лука-севка – 65 %; примеси – 35 %, в т. ч.:

• – растительные примеси – 5 %;

  – мелкие почвенные примеси – 15 %;

  – комки почвы, сравнимые по размерам со стандартной фракцией луковиц лука-севка (поперечный размер) – 10 %;

  – комки почвы, имеющие больший поперечный размер – 5 %.

С целью определения уровня значимости каждого фактора, оказывающего влияние на выбранный критерий оптимизации – полноту сепарации вороха лука-севка – проводился отсеивающий эксперимент.

Выявление небольшого количества наиболее значимых факторов позволило облегчить дальнейшее изучение и описание процесса сепарации экспериментальным прутковым элеватором, которые могут быть проведены с применением методов математической теории планирования эксперимента.

После проведения отсеивающего эксперимента были поставлены поисковые опыты по определению наиболее перспективного вида встряхивающего устройства, обеспечивающего высокие качественные показатели сепарации. С этой целью под полотном пруткового элеватора установлены исследуемые встряхиватели, а именно трехкулачковые и эллиптические, и проведены исследования в соответствии с планом эксперимента.

Результаты исследования

Анализ результатов отсеивающих экспериментов проведен путем построения диаграмм рассеяния. Результаты проведения отсеивающего эксперимента после внесения корректировок представлены на рис. 8.

Все факторы с уровнями их варьирования нанесены по оси абсцисс, опытные значения критерия оптимизации – по оси ординат. Визуальным наблюдением по количеству выделяющихся точек на диаграмме рассеяния оценивался уровень влияния фактора на критерий оптимизации, по результатам проведения которого были выбраны три основных значимых фактора: x1 ‒ поступательная скорость движения прут- кового элеватора, м/с; x2 ‒ подача вороха лука-севка, кг/с; x3 ‒ межосевое расстояние между пассивным встряхивателем и поддерживающим роликом, м.

Результаты проведенных поисковых исследований представлены в табл. 1 и 2 и на рис. 9.

Анализ проведенных поисковых исследований позволяет заключить, что с увеличением поступательной скорости движения пруткового элеватора происходит повышение полноты сепарации и повреждений луковиц вне зависимости от подачи вороха лука-севка и используемого вида встряхивателя.

Однако качественные показатели сепарации вороха лука-севка на прутковом элеваторе с эллиптическими встря-хивателями выше, чем у элеватора, оснащенного трехкулачковыми встря-хивателями.

Данная тенденция наблюдается как при увеличении скорости движения пруткового элеватора в интервале от 1,4 до 1,8 м/с, так и при увеличении подачи вороха от 15 до 40 кг/с по полноте сепарации вороха до 3,5 % и повреждениям луковиц до 3,8 %.

Результаты проведенных поисковых исследований отражают перспектив-

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Результаты поисковых исследований по определению повреждений луковиц лука-севка в зависимости от типа встряхивателя, расположенного под прутковым элеватором

The results of exploratory studies to determine the damage of onions, depending on the type of shaker, located under the bar elevator

Подача вороха лука-севка, кг/с / Giving of lots of onions, kg/s	Сепарирующий прутковый элеватор / Separating bar elevator
	Эллиптический встряхиватель / Elliptical shaker			Трехкулачковый встряхиватель / Three-cam shaker
	Поступательная скорость движения пруткового элеватора, м/с / The progressive speed of the movement of the rod elevator, m/s
	1,4	1,6	1,8	1,4	1,6	1,8
15	1,7	3,0	3,3	2,6	3,3	3,3
20	1,3	2,8	3,0	2,2	2,7	3,0
25	1,2	2,8	3,0	2,0	2,4	3,0
30	1,5	2,7	2,4	1,7	1,8	2,4
35	1,5	2,2	2,3	1,4	1,3	2,3
40	1,2	2,2	2,2	1,2	1,2	2,2

ЛД -1,0 -0,0   -0,0 -0,4    -0.2   0,0   04   0,4   0,0   0,0   1,0   14       -1Д -14 -0,0 -0.0 -0,4 44   04   04   0,4   00   00    1j0   14

Р и с. 8. Диаграммы рассеяния результатов наблюдений после корректировок

F i g. 8. The diagrams of scattering of observation results after adjustments

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

ность дальнейшего изучения эллиптических встряхивателей по повышенному показателю качества сепарации вороха лука-севка и минимальным повреждениям луковиц.

Результаты многофакторного эксперимента обрабатывались в компьютерной программе «STATISTICA 6.0»; были получены значения функций отклика – полнота сепарации вороха лука-севка при варьировании факторов – и адекватная математическая модель (формула 3), описывающая зависимость качества сепарации вороха лука-севка ν = f ( v _эл, Q _Вп, S ) в закодированном виде от выбранных факторов:

Y = 98,59 + 0,21 x 1 - 0,26 x ₂ - 0,35 x 3 -

- 0,81 x 2 - 0,71 x ₂ ² - 0,3 8 x ₃ ² + 0,02 x 1 x ₂ +

+ 0,29 x 1 x ₃ - 0,5 x ₂ x 3 . (3)

Подставляя попеременно значения x ₁, x ₂, x ₃ = 0 в уравнение (3), получаем двухмерные сечения поверхности отклика, характеризующего показатель качества сепарации вороха лука-севка в зависимости от выбранных факторов, представленный системой уравнений:

' x = 0: Y = 98,59 - 0,26 x 2 - 0,35 x 3 -

• - 0,71 x ₂ ² - 0,38 x ₃ ² - 0,5 x ₂ x ₃,

x = 0: Y = 98,59 + 0,21 x - 0,35 x -< ²                                                 (4)

• - 0,81 x 2 - 0,38 x 2 + 0,29 x 1 x ₃,

x 3 = 0: Y = 98,59 + 0,21 x 1 - 0,26 x ₂ -_- 0,81 x 1 ² - 0,71 x ₂ ² + 0,02 x 1 x ₂.

При дифференцировании системы уравнений (4) определяем координаты центра поверхности отклика в зависимости от выбранных факторов в закодированном и раскодированном видах (табл. 3), после подстановки которых получаем значения функции отклика в центре поверхности. Двухмерные сечения поверхности отклика строились на основании данных из табл. 1 и представлены на рис. 10–12.

Уравнение (4) с учетом значимости коэффициентов регрессии можно представить в следующем виде:

Y = 17,387 + 60,43 v . „ + 2, 77Q„_n + УЛ          сП

+ 40,75 S - 20,31 v² - 0,02 Q_R„ - УЛ          сП

• - 38,75 S ² - 0,02 v _3n Q _Bn +

+ 15,2 v _эл S - 1,32 Q вп S .       (5)

Результаты поисковых исследований по определению полноты сепарации вороха лука-севка в зависимости от типа встряхивателя, расположенного под прутковым элеватором

The results of exploratory studies to determine the completeness of separation of seed onion heap, depending on the type of a shaker, located under the bar elevator

Подача вороха лука-севка, кг/с / Giving of lots of onions, kg/s	Сепарирующий прутковый элеватор / Separating bar elevator
	Эллиптический встряхиватель / Elliptical shaker			Трехкулачковый встряхиватель / Three-cam shaker
	Поступательная скорость движения пруткового элеватора, м/с / The progressive speed of the movement of the rod elevator, m/s
	1,4	1,6	1,8	1,4	1,6	1,8
15	96,4	96,7	97,4	94,3	95,8	96,2
20	96,0	96,3	97,4	94,0	94,6	96,0
25	95,7	96,0	97,3	93,5	94,7	95,0
30	95,3	96,2	96,7	93,2	93,4	94,6
35	95,0	96,0	96,4	93,2	93,0	94,6
40	95,0	95,5	96,1	92,6	92,5	94,5

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Координаты центра поверхности отклика The center coordinates of the response surface

Координаты центра поверхности отклика / Coordinates of the response surface center		Функции отклика в центре поверхности / Response functions in the center of the surface
Закодированный вид / Encoded view	Раскодированный вид / Decoded view
x 2 = 0,349	Q Вп = 21,69 кг/с / Qvp = 21.69 kg/s	Ys = 98,55
x 3 = 0,472	S = 0,37 м / S = 0.37 m
x 1 = 0,05	v ЭЛ = 1,63 м/с / vEL = 1.63 m/s	Ys = 98,68
x 3 = 0,445	S = 0,33 м / S = 0.33 m
x 1 = 0,13	v ЭЛ = 1,62 м/с / vEL = 1,62 m/s	Ys = 98,51
x 2 = 0,18	Q Вп = 23,8 кг/с / Qvp = 23,8 kg/s

Р и с. 10. Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость полноты сепарации вороха лука-севка от подачи вороха лука-севка (кг/с) и межосевого расстояния между пассивным встряхивателем и поддерживающим роликом (м)

F i g. 10. Two-dimensional cross-section of the response surface, characterizing the dependence of the completeness of the onion-shear separation from the infeed of the onion-seed heap (kg/s) and the interaxial distance between the passive shaker and the supporting roller (m)

The progressive speed of movement of the web bar elevator Vel, nVs

Р и с. 11. Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость полноты сепарации вороха лука-севка от поступательной скорости движения полотна пруткового элеватора (м/с) и межосевого расстояния между пассивным встряхивателем и поддерживающим роликом (м)

F i g. 11. Two-dimensional cross-section of the response surface, characterizing the dependence of the completeness of the seed onion heap separation from the translational velocity of the web of the rod elevator (m/s) and the interaxial distance between the passive shaker and supporting roller (m)

1,35   1,40 1,45   1,50 1,55   1,60 1,65   1,70   1,75   1,80 1,85

Поступательная скорость движения полотна пруткового элеватора Тэл, м/с / The progressive speed of movement of the web bar elevator Тег, m/s

Р и с. 12. Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость полноты сепарации вороха лука-севка от поступательной скорости движения полотна пруткового элеватора (м/с) и подачи вороха лука-севка (кг/с)

F i g. 12. Two-dimensional cross-section of the response surface, characterizing the dependence of the completeness of the onion-shear separation from the translational velocity of the web of the rod elevator (m/s) and the feeding of the onion-seed heap (kg/s)

104                                   Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Обсуждение и заключение

Результаты экспериментальных лабораторных исследований сепарирующего пруткового элеватора с асимметрично установленными пассивным эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом позволяют сделать выводы о том, что максимальная полнота

сепарации вороха лука-севка составляет 98 % при поступательной скорости движения полотна пруткового элеватора v ЭЛ = = 1,55–1,68 м/с, подаче вороха лука-севка Q _Вп = 19,7—27,1 кг/с и межосевом расстоянии между пассивным эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом в пределах S = 0,29–0,42 м.

Поступила 09.01.2018; принята к публикации 23.07.2018; опубликована онлайн 29.03.2019

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.