Results of laboratory and field studies of the separating system of a potato harvesting machine

Full Text

Картофель – ценный пищевой продукт, мировой объем его производства устойчиво растет. В картофелепроизводящих странах постоянно ведутся исследования по разнообразному кругу вопросов картофелеводства, в том числе перспективам его развития. Накоплен богатый опыт его производства в различных условиях, в которых применяют соответствующие сорта, технологии и способы посадки, уборки, обработки, хранения и переработки. [6–9] В технологии возделывания картофеля еще используют ручной труд, имеются потери урожая, трудности при реализации. Качество клубней не всегда удовлетворяет требованиям потребителей и переработчиков. Особое внимание уделяют снижению повреждений картофеля, закладываемого на хранение. При повышении индекса повреждений с 3,65 до 38,8 потери при хранении растут более чем в два раза – с 4,3 до 10,9%. Для снижения повреждений клубней картофеля в процессе уборки необходимо модернизировать существующие сепарирующие рабочие органы картофелеуборочных комбайнов. За последние годы новых решений по этому вопросу не было.

Уборка урожая – одна из трудоемких и ответственных работ при возделывании корнеплодов. На его сбор и транспортировку приходится от 30 до 50% всех трудовых затрат. Не все этапы уборки механизированы. Агротехнические требования – очистить корнеплоды от земли и не допустить их механические повреждения более 5% всей убранной массы. [5, 10]

Требования к качеству выполнения технологической операции уборки клубней картофеля: потери – не более 3%; количество с механическими повреждениями – не более 10; наличие земли и примесей – не более 20%; рабочая скорость – до 7 км/ч. [3]

Для выполнения агротехнических требований в машинах для уборки картофеля сепарация материала осуществляется на рабочих органах, разделяющих компоненты. Наибольшее распространение получили прутковые транспортеры, качающиеся и гирационные грохоты с плоскими решетами, пайлеры, барабанные грохоты.

Механические повреждения сопровождаются нарушением целостности тканей в виде царапин, уколов, порезов, трещин, ушибов, деформаций на клубнях, чаще всего из-за неудовлетворительной работы сепарирующих рабочих органов на почвах с повышенной влажностью. [4] К механическим повреждениям добавляется большое количество трудноотделимых почвенных примесей, что негативно сказывается на сроках хранения готовой продукции.

Требования к качеству продукции изложены в государственных стандартах и должны строго соблюдаться при продаже, покупке, закладке на хранение.

Цель работы – определение режимных параметров системы очистки с теплотой отработавших газов силовой установки самоходного картофелеуборочного комбайна.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Полевые исследования сепарирующей системы с тепловой энергией очистки машины для уборки картофеля проводили при повышенной влажности почвы (27%) в Пензенской области на полях ИП Бодягин В.И. при оснащении комбайна VARITRON 470 разработанной системой очистки (рис. 1). Основная конструктивная особенность машины – оригинальная компоновка функционирующих элементов сепарирующих поверхностей, которая обеспечивает плавный (без перепадов) подъем, очистку клубненосного вороха на второй ярус уборочной машины и далее в бункер.

 

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема самоходного комбайна VARITRON 470 для уборки картофеля: 1 – катки; 2 – дисковые ножи; 3 – лемех; 4 – бункер; 5 – выгрузной транспортер; 6, 8 – отрывной валик; 7 – переборочный стол; 9 – подъемный транспортер; 10 – редкопрутковый транспортер; 11 – каскадный транспортер; 12 – щеточный сепаратор; 13 – горка; 14 – очесывающий валик; 15 – встряхиватель; 16 – основной транспортер.

 

Высокая производительность комбайна и других машин данного типа обусловлена многорядностью подкапывающих рабочих органов.

Конструктивная схема разработанной сепарирующей системы представлена на рисунке 2 при варьировании исследуемых параметров: межосевое расстояние – S_Д между дефлекторами, м; междефлекторное – B_Д, м; межтранспортерное – B_ДЭЛ, м.

 

Рис. 2. Конструктивная схема сепарирующей системы с теплотой отработавших газов: 1 – прутковый элеватор; 2 – дефлектор отработавших газов.

 

Лабораторные исследования экспериментальной сепарирующей системы выполняли согласно методике проведения испытаний СТО АИСТ 8.5 – 2010.

Оценивали физико-механический состав товарной продукции и ее характеристики.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Отличительная особенность усовершенствованного картофелеуборочного комбайна от базовой модели в использовании дефлекторов системы отработавших газов силовой установки самоходного комбайна VARITRON 470 при увеличении поступательной скорости движения пруткового элеватора с исключением возможности налипания на колосники механических примесей.

Межосевое расстояние S_Д между дефлекторами определяется необходимостью обеспечения равномерного обдува сепарирующей поверхности с постоянным температурным полем Т = const пруткового полотна, то есть требуется выполнение условия перекрытия тепловых потоков по всей длине L_ЭЛ сепарирующей поверхности (рис. 3).

 

Рис. 3. Распределение газовой струи: А – при центральном вводе газа; Б – боковом.

$Q_{Г}=\mu S_B\sqrt{2g{H}_{Д}},$

При центральном вводе (по оси аппарата) выхлопного газа за счет кинетической энергии входящей струи он движется преимущественно в центральной части аппарата, постепенно заполняя все сечение. При боковом – входящая газовая струя направляется к противоположной стенке и, ударяясь об нее, идет вверх.

Используют различные типы насадок – дефлектор с диффузором, цилиндрический «грибок» Волпера, Н-образный коллектор из труб, колпак – флюгер, турбодефлектор. Рассмотрим дефлектор с диффузором, его выбор обусловлен увеличением площади распределения тепловых потоков (рис. 4). Для предотвращения воздействия тепловых потоков отработавших газов на сепарируемый материал и рабочую поверхность элеватора необходимо обеспечить выполнение условия:

S_D ≤ B_ОБ, (1)

где B_ОБ – ширина обдува дефлектором рабочей поверхности пруткового элеватора, м.

 

Рис. 4. Конструктивная схема дефлектора.

 

Приставка диффузора к соплу приводит к снижению давления в узком месте насадка, увеличению скорости и расхода отработавших газов. B_ОБ зависит от конструктивных параметров дефлектора и, прежде всего, диаметра выходного участка B_Д, так как он влияет на расход выхлопного газа согласно уравнению Бернулли:

$Q_{Г}=\mu S_B\sqrt{2g{H}_{Д}}$,  (2)

где µ – коэффициент расхода; S_В – площадь отверстия, м²; g – ускорение свободного падения, м/с²; H_Д – напор выхлопного газа насадка, м.

Площадь отверстия S_В:

$S_B=\pi B_{Д}^2$,  (3)

где В_Д – диаметр насадка, м.

µ = εφ, (4)

где ε – коэффициент сжатия; φ – коэффициент скорости.

$\epsilon =\frac{S_B}{2H_{Д}}$.  (5)

Так как длина сопла и диффузора невелики, а скорость течения среды в них достаточно высокая, то теплообмен между стенками канала и средой при малом времени их контакта настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь и считать процесс истечения адиабатным.

Массовый расход выхлопного газа M_Г через сопло (кг/с) определяется соотношением:

${М}_{Г}=\frac{S_B·c_{2Г}}{V_2}$,  (6)

где с_2г – скорость выхлопного газа на выходе, м/с; V₂ – объем выхлопного газа на выходе, м³.

$S_{Д}=\left(\frac{L_{Л}}{{В}_{Л}}\right)+\frac{{В}_{Л}}{2}$.  (7)

Междефлекторное расстояние B_Д сепарирующей системы с тепловой системой очистки находится, исходя из максимально возможной скорости с_2max движения теплового потока отработавших газов при падении напора Н_Д выхлопного газа через сопло на осевой линии пруткового элеватора OO₁. Должно соблюдаться условие:

Н_Д ≥ В_ЭЛ.  (8)

Так как почвенный слой движется по поверхности пруткового элеватора со скоростью v_ЭЛ, а дефлекторы расположены на расстоянии S_Д при перекрытии тепловых потоков Q_Г по длине полотна элеватора L_ЭЛ, то температурное поле T изменяется только по ширине элеватора B_ЭЛ, по длине и его периметру остается неизменным.

Основные закономерности изменения показателей качества работы сепарирующей системы картофеля устанавливали в полевых условиях. Взаимодействие систем очистки базовой уборочной машины с разработанной осуществляли при адаптации основных функционирующих элементов с теплотой отработавших газов силовой установки при монтаже дефлекторов на коллектор двигателя.

Определение показателей качества уборки картофеля самоходным комбайном, при его оснащении разработанной сепарирующей системой, выполняли в диапазоне режимных и технологических параметров, полученных при проведении лабораторных исследований в 2022 году. [1, 2]

Показатели качества работы сепарирующей системы свидетельствуют о достижении полноты сепарации товарной продукции 95,8% при нахождении оптимальных значений поступательной скорости движения пруткового элеватора v_Д =1,6 м/с и расстояния между ним и дефлектором S_Д =160 мм (рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость полноты сепарации ν_К, % клубней картофеля от расстояния S_Д между прутковым элеватором и дефлектором, v_Д = 1,6 м/с.

 

Закономерность изменения полноты сепарации клубней картофеля в условиях уборки при повышенной влажности почвы определяется выражением:

$V_K=109,39-0,23·S_{Д}+0,75·S_{Д}^2$.  (9)

Установили параметры оценки: дисперсия ошибки опыта, $S_y^2=7$; стандартная ошибка, $S_{bk}=1,12$; дисперсия ошибки, $S_{bk}^2=1,23$; дисперсия воспроизводимости, $S_{воспр}^2=14,48$; дисперсия неадекватности, $S_{неадекв}^2=1,232$

Исследование зависимости полноты сепарации клубней картофеля при значении расстояния между прутковым элеватором и дефлектором S_Д = 160 мм выполняли исходя из предположения о возможности отслаивания подсохшего слоя почвенных примесей с поверхности колосниковых элементов полотна транспортера при их взаимодействии с интенсификаторами сепарации.

Увеличение поступательной скорости движения от 1,6 до 1,8 м/с повышает сепарирующую способность полотна от 94,8 до 95,9% в соответствии с эмпирической зависимостью (рис. 6):

$V_K=176,53-102,64·v_{Д}+32,02·v_{Д}^2$.  (10)

 

Рис. 6. Зависимость полноты сепарации ν_К, % корнеплодов сахарной свеклы от поступательной скорости движения пруткового элеватора v_Д, при S_Д = 130 мм.

 

График на рисунке 7 отображает корреляционную зависимость качественных показателей (ν_К) уборки клубней картофеля от исследуемых технологических параметров сепарирующей системы S_Д и v_Д, которая выражается уравнением параболических функций:

$\left\{\begin{array}{l}{v}_{Д}=-47,81+1,04·v_K-0,15·v_K^2,\\ S_{Д}=18550,56+394,54·v_K-2,08·v_K^2.\end{array}\right.$ (11)

 

Рис. 7. Зависимость полноты сепарации ν_К, % клубней картофеля от расстояния S_Д между прутковым элеватором и дефлектором и поступательной скорости движения пруткового элеватора v_Д.

 

В результате дисперсионного анализа зависимости полноты сепарации клубней картофеля от расстояния между прутковым элеватором и дефлектором, а также поступательной скорости движения пруткового элеватора установлены основные статистические характеристики: дисперсия ошибки опыта, $S_y^2=6$; стандартная ошибка, $S_{bk}=1,08$; дисперсия ошибки,  $S_{bk}^2=1,19$; дисперсия воспроизводимости, $S_{воспр}^2=12,33$; дисперсия неадекватности, $S_{неадекв}^2=1,184$.

Экспериментальные исследования картофелеуборочного комбайна в производственных условиях, оснащенного системой сепарации с использованием теплоты отработавших газов позволяют сделать вывод о том, что максимальная полнота сепарации – 93,0…97,0% обеспечивается при оптимальных значениях поступательной скорости движения пруткового элеватора (v_Д = 1,6 м/с) и расстояния между прутковым элеватором и дефлектором (S_Д = 130…140 мм).

Построим статистический ряд, расположив информацию о полноте сепарации (ν, %) клубней картофеля в порядке возрастания:

$$\begin{gathered} X=\left(X_0=93,8 \\ {X}_1=93,9 \\ {X}_2=94,0 \\ {X}_3=94,1 \\ {X}_4=94,2 \\ {X}_5=94,3 \\ {X}_6=94,4 \\ {X}_7=94,5 \\ {X}_8=94,6 \\ {X}_9=94,7 \\ {X}_{10}=94,8 \\ {X}_{11}=94,9 \\ {X}_{12}=95,1 \\ {X}_{13}=95,2 \\ {X}_{14}=95,3 \\ {X}_{15}=95,4 \\ {X}_{16}=95,5 \\ {X}_{17}=95,6 \\ {X}_{18}=95,7 \\ {X}_{19}=95,8\right) \end{gathered}$$.

Среднее значение полноты сепарации (ν, %):

${Х}_{СР}=\frac{\sum _{j=0}^{N-1}{X}_j}{N}=94,6\%.$

Среднеквадратическое отклонение (ν, %):

$Stdev \left(x\right)=\sqrt{\frac{\sum _{j=0}^{N-1}{(X_{CP}-X_j)}^2}{N-1}}=1,54.$

Коэффициент вариации (ν, %):

$\nu =\frac{Stdev \left(x\right)}{X_{CP}-X_{CM}}=\frac{1,54}{95,4-94,6}=0,234.$

Математическое ожидание M(X) нормального закона распределения сепарации клубней картофеля:

M(X) = 0,3

Величина математического ожидания свидетельствует о конкретном значении полученного закона распределения сепарации клубней картофеля разработанной сепарирующей системой с теплотой отработавших газов в приблизительных расчетах или оценки процесса очистки.

 

Рис. 8. График зависимости значений от ожидаемых частот распределения.

 

Квантиль распределения Стьюдента:

$T=qt\left(1-\frac{\alpha }{2}, v\right)=2,023.$

Сравним графически наблюдаемые и ожидаемые частоты построением графика рассеяния (рис. 8).

Выводы. По результатам экспериментальных исследований картофелеуборочного комбайна в производственных условиях, оснащенного системой сепарации с использованием теплоты отработавших газов, можно сделать вывод, что максимальная полнота сепарации в диапазоне 93,0…97,0% обеспечивается при оптимальных значениях поступательной скорости движения пруткового элеватора 1,6 м/с и расстоянии между ним и дефлектором 130…140 мм.

About the authors

Ya. P. Lobachevsky

FGBNU “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”; Russian Academy of Sciences

Email: sibirev2011@yandex.ru

Academician of the RAS, Professor

Russian Federation, Moscow; Moscow

A. S. Dorokhov

FGBNU “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”

Email: sibirev2011@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4758-3843

Academician of the RAS, Chief Researcher

Russian Federation, Moscow

A. V. Sibirev

FGBNU “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”

Author for correspondence.
Email: sibirev2011@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9442-2276

Grand PhD in Engineering Sciences, Chief Researcher

Russian Federation, Moscow

M. A. Mosyakov

FGBNU “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”

Email: sibirev2011@yandex.ru

PhD in Engineering Sciences

Russian Federation, Moscow

N. V. Sazonov

FGBNU “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”

Email: sibirev2011@yandex.ru

PhD in Engineering Sciences

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files