Substantiation of constructive and technological parameters of a cylindrical cleaner of soil impurities of onion harvester

Full Text

Введение Проведенный анализ технических средств сепарации корнеклубнеплодов и луковиц от почвенно-растительных примесей показал, что отделение луковиц лука-севка от соизмеримых с ними почвенных комков по одному разделительному признаку не обеспечивает полного отделения луковиц от комков почвы [1-4]. Наиболее перспективными для решения вопроса разделения могут быть устройства, принцип работы которых основан на разделение корнеклубнеплодов и луковиц от почвенных комков по комплексу признаков (способности к качению, трению, эластичности и массе). Анализ свойств вороха лука-севка показывает, что наибольшее различие наблюдается в углах трения луковиц и почвенных комков. С учетом этого перспективный способ отделения луковиц от соизмеримых с ними по размеру почвенных комков должен основываться на разделении по коэффициенту трения и массе. Цель исследований Целью исследования является обоснование оптимальных конструктивных и технологических параметров цилиндрического очистителя почвенных примесей машины для уборки лука. Материалы и методы В связи с этим в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработан цилиндрический очиститель почвенных примесей (рис. 1), который предназначен для выделения почвенных комков и примесей из сепарируемого вороха лука-севка, поступивших с пруткового элеватора лукоуборочной машины [5]. Работа цилиндрического очистителя почвенных примесей основана на принципах разделения по различной способности к трению и массы луковиц лука-севка от соизмеримых с ними почвенных комков. Рабочая поверхность цилиндрического очистителя почвенных примесей образована набором параллельных обрезиненных вальцов: приемного 2 и сепарирующих 4, установленных на раме 3 очистителя. Для интенсификации процесса очистки луковиц лука-севка от почвенных примесей приемный валец 2 очистителя со стороны пруткового элеватора 1 расположен со смещением в вертикальной и горизонтальной плоскостях на величину h и l, соответственно, с технологическим зазором Т. Вальцы 2 и 4 цилиндрического очистителя почвенных примесей установлены на общей раме 3, при этом сепарирующие вальцы 4 вращаются в сторону схода луковиц с одинаковой угловой скоростью , а приемный валец 2 вращается в противоположном направлении с угловой скоростью . Принцип работы цилиндрического очистителя почвенных примесей заключается в следующем. Обрабатываемый ворох лука-севка движется в направлении вращения вальцов 2 и 4 с поверхности пруткового элеватора 1. В момент схода вороха лука-севка после предварительной очистки с поверхности пруткового элеватора 1 луковицы и комки почвы взаимодействуют с поверхностью приемного вальца 2. Почвенные комки в результате соударения с приемным вальцом 2 из-за своих физико-механических характеристик приобретают траекторию движения, отличную от луковиц, т.е. почвенные комки скатываются в направлении вращения приемного вальца 2 и сходят на поверхность поля. Почвенные комки при соударении с поверхностью приемного вальца 2 приобретают кинетическую энергию и отскакивают от его поверхности в направлении схода А, так как соизмеримые с луковицами комки почвы обладают большей массой и их траектория движения будет отличаться от траектории полета луковицы. Луковицы, обладающие большей эластичностью и способностью к качению в сравнении с почвенными комками, а кроме того, имеющие более округлую форму, скатываются в направлении вращения приемного вальца 2 на дальнейшую сепарацию в направлении схода В по поверхности цилиндрического очистителя. Мелкие почвенные примеси и растительные остатки проходят в зазор между сепарирующими вальцами 4, а луковицы, очищенные от почвенных комков и мелких почвенно-растительных примесей сходят на поверхность поля и укладываются в валок. Результаты и обсуждение Для обеспечения равномерного распределения вороха лука-севка по поверхности приемного вальца цилиндрического очистителя почвенных примесей (рис. 2), а также исключения потерь сепарируемой продукции необходимо, чтобы соблюдалось условие соотношения размеров между толщиной слоя hВ вороха лука-севка, поступающего на приемный валец цилиндрического очистителя почвенных примесей, и его диаметром DП.В: , (1) где DП.В - диаметр приемного вальца цилиндрического очистителя почвенных примесей, м; hВ - толщина слоя вороха лука-севка, сходящего с пруткового элеватора, м. . При этом, интенсивность сепарации вороха лука-севка на прутковом элеваторе определяется по зависимости: , где LЭЛ - длина пруткового элеватора, м. Для предотвращения сгруживания вороха лука-севка между прутковым элеватором и приемным вальцом цилиндрического очистителя почвенных примесей, а также равномерной подачи вороха с приемного вальца на поверхность сепарирующих вальцов необходимо, чтобы скорость vП.В движения сепарируемого вороха на приемном вальце цилиндрического очистителя почвенных примесей была больше скорости vЭЛ движения на прутковом элеваторе: vП.В ≥ vЭЛ; π nП.В DП.В k1 ≥ π nБ DБ k2, где nП.В - частота вращения приемного вальца, мин-1; DП.В - диаметр приемного вальца, м; k1 - коэффициент, учитывающий проскальзывание луковицы относительно приемного вальца; nБ - частота вращения барабана пруткового элеватора, мин-1; DБ - диаметр барабана пруткового элеватора, м; k2 - коэффициент, учитывающий проскальзывание луковицы относительно прутков элеватора. . (2) Для определения диаметра сепарирующих вальцов цилиндрического очистителя почвенных примесей воспользуемся уравнениями динамики относительного движения материальной точки, решением которых определим искомые уравнения движения луковицы. В целях упрощения задачи нами приняты следующие основные допущения: - точка касания луковицы с сепарирующими вальцами находится в одной плоскости, перпендикулярной осям вращения валов; - сопротивлением воздуха пренебрегаем; - боковые силы отсутствуют; - форма луковицы имеет форму шара; - сепарирующий валец вращается с постоянной угловой скоростью. Рассмотрим силы, действующие на луковицу в промежуточном ее положении: G - вес луковицы, Н; N1, N2 - нормальная реакция сепарирующего вальца на луковицу, Н. Кроме того, добавим силы инерции Ie в переносном движении и кориолисову силу инерции IC (рис. 3). При равномерном вращении сепарирующих вальцов с угловой скоростью ее угловое ускорение равно нулю. Следовательно переносное вращательное ускорение луковицы и вращательная сила инерции в переносном движении равны нулю. Транспортирование луковицы (рис. 3) через сепарирующие вальцы цилиндрического очистителя почвенных примесей возможно в том случае, если угол β2, образованный касательной L-L c горизонталью, не превышает угол трения луковицы о поверхность вальца [1]. Данное условие выполняется при соотношении: , (3) где ϕЛ - угол трения луковицы о поверхность сепарирующего вальца, град; S4 - расстояние между сепарирующими вальцами, м; DЛ - диаметр луковицы, м. Транспортирование луковицы без отрыва от поверхности сепарирующих вальцов цилиндрического очистителя почвенных примесей согласно рис. 3 будет происходить при условии [1]: (4) Следовательно сила трения, возникающая от взаимодействия луковицы с сепарирующими вальцами, равна Fтр = 0. С учетом вышеизложенного выразим из второго выражения (4) минимальную угловую скорость сепарирующего вальца, при которой происходит транспортирование луковицы без отрыва от сепарирующей поверхности: , где β1 - угол наклона плоскости ВВ к горизонтали, град. . Исходя из того, что угловая скорость [6]: , где nC.B - частота вращения прутка сепарирующего вальца, мин-1. Максимально допустимая частота вращения nC.Bmax сепарирующих вальцов цилиндрического очистителя почвенных примесей, при которой происходит транспортирование луковицы без отрыва от сепарирующей поверхности: . (5) После того, как ворох лука-севка переместится с сепарирующего элеватора на приемный валец, происходит разделение траекторий движения комков почвы и луковиц лука-севка в результате различных эластичных свойств луковиц и комков почвы. Более эластичные и обладающие большей способностью к качению луковицы скатываются с поверхности вальца в сторону, противоположную направлению его вращения, а комки почвы сбрасываются приемным вальцом на другую сторону. В связи с этим определим траекторию движения комка почвы и луковицы лука-севка. Для предотвращения потерь лука-севка в результате увеличенного технологического зазора между приемным и сепарирующими вальцами цилиндрического очистителя почвенных примесей необходимо установить его оптимальную величину. Для определения координат взаимного расположения центров вращения приемного и сепарирующих вальцов рассмотрим траекторию полета луковиц лука-севка с началом свободного падения луковицы в точке А (рис. 4), принимая луковицу лука-севка за материальную точку. Рис. 4. Схема к определению межосевого расстояния между приемным и сепарирующим вальцами цилиндрического очистителя почвенных примесей Решение данной задачи сводится к рассмотрению свободного падения материальной точки с начальной скоростью vAп0 приемного вальца: , где nП.В - частота вращения приемного вальца цилиндрического очистителя почвенных примесей, мин-1. Пренебрегая силой сопротивления воздуха, запишем уравнение движения материальной точки А, представляющей собой луковицу лука-севка под углом α к горизонту, равной скорости vAп0 движения частицы А лукового вороха под действием силы тяжести луковицы G в виде [1, 3]: (6) где αП - угол наклона скорости vAп0 к горизонту, град. Для определения уравнения траектории движения материальной точки А исключим из первого выражения системы уравнений (6) время t и подставим его во второе выражение системы уравнений (6). В результате имеем [6]: ; . (7) Полученное уравнение (7) является уравнением второго порядка и представляет собой параболу. Время t1 полета материальной точки А до точки А’’’ определяется из условия Y = max [2]: ; . Дальность полета материальной точки в горизонтальной плоскости (рис. 4) определим из уравнения траектории движения частицы почвы (6) при Y = 0: . (8) Из выражения (8) определим максимальное и минимальное значения дальности полета материальной точки А - соответственно, LЛcmin и LЛcmax: ; . Величина x11 = LЛcmin соответствует начальному моменту полета материальной точки, а величина x12 = LЛcmax определяет величину дальности полета материальной точки по горизонтали. Таким образом, минимальное межосевое расстояние S2 между приемным и сепарирующим вальцами определяется из условия: . (9) Межосевое расстояние S3 между сепарирующими вальцами цилиндрического очистителя почвенных примесей определяется из условия невозможности прохода луковицы с минимальным диаметром dЛmin через щелевое отверстие S4, образованное смежными сепарирующими вальцами, т.е.: , где DЛmin - минимальный диаметр луковицы лука-севка, м. Согласно рис. 4 имеем, что: , (10) где RC.B - радиус сепарирующего вальца, м. Выводы 1. Теоретические исследования цилиндрического очистителя почвенных примесей позволили получить зависимости, для определения диаметра приемного (1) и сепарирующих (8) вальцов, частоты вращения приемного (7) и сепарирующих (5) вальцов, межосевого расстояния между приемным и сепарирующим вальцами (9), межосевого расстояния между сепарирующими вальцами цилиндрического очистителя почвенных примесей (10). 2. На основании проведенных теоретических исследований был изготовлен цилиндрический очиститель почвенных примесей, который проходил исследования в лабораторных и полевых условиях по обоснованию оптимальных конструктивных и технологических параметров. В результате проведения экспериментальных исследований было установлено, что полнота сепарации вороха лука-севка на оптимальных режимах составляет 98…99 % при повреждениях до 1,0 %, что соответствует существующим рекомендациям на уборку корнеплодов и лука. Рис. 1. Схема цилиндрического очистителя почвенных примесей: 1 - транспортер прутковый; 2 - валец приемный; 3 - рама; 4 - вальцы сепарирующие Рис. 2. Схема к определению диаметра приемного вальца цилиндрического очистителя почвенных примесей: 1 - прутковый элеватор; 2 - валец приемный Рис. 3. Схема к определению диаметра сепарирующего вальца цилиндрического очистителя почвенных примесей: 1 - валец сепарирующий; 2 - луковица Работа выполнена при государственной поддержке молодых российских ученых - кандидатов наук МК - 4002.2018.8.

About the authors

A. V Sibirev

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Email: 053vim@mail.ru
PhD in Engineering

A. S Dorokhov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Email: 053vim@mail.ru
Corresponding member of the Russian Academy of Sciences

A. G Aksenov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Email: 053vim@mail.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files