Development and research of a new separating device for a cabbage harvester

全文:

ВВЕДЕНИЕ

При машинной уборке кочанной капусты в потоке убираемой массы, 15…20% составляют отходы (листья капусты, потерявшие связь с кочанами, остатки сорной растительности и другие примеси) [1]. Кроме того, часть кочанов требует доработки до товарного вида, предусмотренного соответствующим ГОСТом [2].

Для отделения сопутствующих отходов от кочанов в потоке предлагались различные устройства (листоотделители) [3, 4]. Из них нашли практическое применение в капустоуборочных машинах МСК-1 (Россия) шнековый [5], Е-800 – наклонная «горка» и вальцевый с шипами – в машине «Pustika» (Германия) [1]. Указанные листоотделительные устройства не лишены недостатков. Так, полнота выделения ими сопутствующих отходов не превышает 65% при поступлении потока капусты слоем в один кочан, а при поступлении его слоем 2…3 кочана – и того меньше [6]. К тому же, названные устройства существенно повреждают кочаны в процессе сепарации сопутствующих отходов в потоке. В силу указанных причин, представляются актуальными разработка и оценка эффективности нового сепарирующего устройства применительно в перспективных капустоуборочных машинах.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью исследования является оценка эффективности функционирования нового сепарирующего устройства в составе капустоуборочного комбайна в лабораторных условиях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для достижения поставленной цели данное устройство, основанное на новом техническом решении [7], установлено на опытном капустоуборочном комбайне [8] конструкции Чувашского государственного аграрного университета. Оно выполнено в виде вальца 1 (рис. 1), покрытого мягкой резиной, установленного над полотном 2 транспортер-обрезчика капустоуборочного комбайна с зазором за выгрузной зоной режущего аппарата 3 под тупым углом α к направлению движения потока капусты.

 

Рис. 1. Схема размещения нового сепарирующего устройства в опытном капустоуборочном комбайне.

Fig. 1. Scheme of placement of the new separating device in the experimental cabbage harvester.

 

Зазор между поверхностью вальца 1 и полотном 2 транспортер-обрезчика выполнен не превышающим минимального размера товарных кочанов.

В устройстве валец приводится во вращение цепной передачей 4 через редуктор 5 в сторону вращения отклоняющих звездочек полотна транспортер-обрезчика.

Устройство функционирует следующим образом. Во время работы комбайна поток, убранный режущим аппаратом 3, массы капусты (кочаны капусты, листья ее и прочие примеси) поступает на транспортер-обрезчик и подводится полотном последнего к вращающемуся вальцу 1. Здесь кочаны сталкиваются поочередно под действием силы трения со стороны вальца в дальний угол транспортер-обрезчика. Далее при непрерывном движении полотна транспортер-обрезчика формируется поток кочанов в один ряд по его краю. В то же время листья капусты и другие отходы проходят в зазоре под вальцом 1 и в последующем отгружаются в конце транспортер-обрезчика на землю.

В это время, рабочие 7, находящиеся на платформе комбайна рядом с транспортер-обрезчиком, инспектируют поток кочанов. В ходе инспектирования отбирают кочаны с длинными кочерыгами и розеточными листьями и вставляют их в отверстия 8 пластин полотна. В последующем они при встрече с пассивным ножом повторно обрезаются по принципу гильотины и поступают в промежуток между упругими отражателями 10, которые их ориентируют в середину пруткового элеватора 11, что остерегает их от повреждений со стороны тяговых контуров. Заметим, что при повторной обрезке кочерыг снова появляются свободные от кочанов листья, которые отсеиваются на землю на прутковом элеваторе, а товарные кочаны отгружаются в конце элеватора в кузов, сопровождающего транспортного средства, или в контейнеры, установленные в нем.

Рабочий процесс описанного устройства проверен в лабораторных условиях. При этом в круг задач исследований входило определение качества функционирования листоотделительного устройства в зависимости от процентного содержания  листьев капусты и размерно-массовых характеристик  кочанов в потоке капусты.

Лабораторная установка (рис. 2), состоящая из блоков режущего аппарата 1 и транспортер-обрезчика 2 с листоотделителем 3 подключалась к электроприводу 4 с частотой вращения вала 540 об/мин, равной частоте вращения вала отбора мощности агрегатирующего комбайн трактора в номинальном режиме работы его двигателя.

 

Рис. 2. Общий вид лабораторной установки.

Fig. 2. General view of the laboratory rig.

 

Исследования проводились в следующей последовательности. Перед каждым опытом подготавливали пробы капусты в соответствующем процентном соотношении по массе кочанов и капустных листьев путем взвешивания на электронных весах. Далее эту пробу капусты размещали в режущем аппарате, имитируя полевые условия (см. рис. 2). Затем, после включения в работу привода капустная масса поступала потоком на полотно транспортер-обрезчика (рис. 3), а затем к вальцу сепарирующего устройства. Здесь кочаны отделялись от капустной листвы и откатывались на край полотна, а листья потоком проходили под вальцом и отгружались на пол. В то же время кочаны капусты также проходили потоком по краю полотна в зону расположения элеватора.

 

Рис. 3. Работа сепарирующего устройства.

Fig. 3. Operation of the separating device.

 

После каждой реализации собирали отсеянные листья и взвешивали их, что позволяло оценить качество функционирования сепарирующего устройства в зависимости от названных выше факторов процесса.

Опыты проводились по программе ПФЭ-2² в трехкратной повторности. При этом уровни варьирования факторов (табл. 1) определяли на основе априорной информации и поисковых опытов.

 

Таблица 1. Уровни варьирования факторов

Table 1. Levels of factor variation

Факторы	Кодированное обозначение факторов	Натуральные значения факторов
		Верхний +1	Нижний –1
Процентное содержание листьев капусты относительно массы кочанов в пробе	$x_1$	20	10
Средние диаметр и масса кочанов, $\frac{\text{см}}{\text{кг}}$	$x_2$	$\frac{\mathrm{18,8}}{\mathrm{3,318}}$	$\frac{\mathrm{15,3}}{\mathrm{1,326}}$

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

План и результаты опытов представлены в табл. 2. Полученные результаты опытов подверглись регрессивному анализу по программе Statistica 10 на персональном компьютере.

 

Таблица 2. Результаты опытов

Table 2. Experimental results

Номер опыта	Факторы		Процент отсеянных капустных листьев
			${У}_1$	${У}_2$	${У}_3$	${\overline{У}}_j$
1	-1	-1	100	91,21	95,1	95,4
2	+1	-1	62,3	72,35	70,35	68,3
3	-1	+1	80,9	82,28	84,14	82,4
4	+1	+1	69,8	67,36	68,37	65,8

${У}_1$, ${У}_2$, ${У}_3$– соответственно проценты отсеянных листьев при первом, втором и третьем повторах опытов;

${\overline{У}}_j$ – среднее значение процента отсеянных листьев капусты.

В результате реализации опытов была получена адекватная (по F – критерию Фишера, вероятность p = 0,95) регрессионная модель процесса:

$У=\mathrm{77,9}-\mathrm{10,9}{x}_1-\mathrm{3,8}{x}_2+\mathrm{2,6}{x}_1{x}_2$.

Согласно данному выражению на рис. 4 показана поверхность отклика исследованного процесса.

 

Рис. 4. Зависимость процента отсеянных капустных листьев от факторов процесса.

Fig. 4. The dependence of the percentage of sifted cabbage leaves on the process factors.

 

Анализируя результаты исследований, можно заключить, что разработанное устройство, в целом, функционирует устойчиво. В процессе работы оно в достаточной степени отделяет сопутствующие отходы от кочанов капусты в потоке. При этом, заметим, что процесс сепарации сопутствующих отходов протекает наиболее удачно при мелких кочанах капусты с меньшим содержанием листьев в потоке капусты. Полученные результаты имеют вполне реальный физический смысл. Так, с увеличением процентного содержания листьев капусты в потоке усложняется процесс их сепарации. Поэтому, имеет место некоторое снижение процента отсеянных листьев в потоке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты лабораторных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. В капустоуборочных машинах возможна сепарация сопутствующих отходов в потоке с помощью вальцевого листоотделителя.
2. Практическая реализация разработанного устройства в перспективных капустоуборочных машинах позволит повысить эффективность их работы.
3. Данное устройство достаточно полно отделяет сопутствующие отходы во всем диапазоне их содержания в потоке от 10 до 20%, что характерно реальным полевым условиям.
4. Целесообразно проверить разработанное устройство в полевых условиях.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. А.С. Алатырев и Н.А. Емельянов ― анализ публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; И.С. Кручинкина ― создание изображений, редактирование текста рукописи; С.С. Алатырев ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. A.S. Alatyrev and N.A. Emelyanov ― analysis of publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript; I.S. Kruchinkina ― creating images, editing the text of the manuscript; S.S. Alatyrev― peer review, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the study.

作者简介

Alexey Alatyrev

Chuvash State Agrarian University

编辑信件的主要联系方式.
Email: Leha.alatyrev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3059-9352
SPIN 代码: 8101-2562
Scopus 作者 ID: 57215008050

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Transport and Technological Machines and Complexes Department

俄罗斯联邦, Cheboksary

Nikolay Emelyanov

Chuvash State Agrarian University

Email: emelya.kolya19977@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0475-2157
SPIN 代码: 1054-1770

Post-graduate student of the Transport and Technological Machines and Complexes Department

俄罗斯联邦, Cheboksary

Irina Kruchinkina

Chuvash State Agrarian University

Email: irinka58.84@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4995-8706
SPIN 代码: 1986-5266

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Mathematics, Physics and Information Technology Department

俄罗斯联邦, Cheboksary

Sergey Alatyrev

Chuvash State Agrarian University

Email: S_Alatyrev1955@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4694-2381
SPIN 代码: 7789-5968

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Transport and Technological Machines and Complexes Department

俄罗斯联邦, Cheboksary

参考

补充文件