Разработка картофелесортировальной машины. 2. Патентный поиск устройств (не менее 3), для сортирования картофеля
 Скачать 2.52 Mb.
|
|
2. Патентный поиск устройств, для сортирования картофеля. Ворох картофеля, поступающий на сортирующие устройства, представляет собой смесь клубней различных фракций. Задача сортирования заключается в разделении клубней по размерно-массовым характеристикам на фракции согласно предъявляемым требованиям к обрабатываемой продукции. При загрузке на хранение в осенний период полное разделение на фракции обычно не предусматривают, снижая тем самым повреждения свежеубранных клубней. Например, при закладке продовольственного картофеля на хранение осенью из всей массы картофеля выделяют примеси и мелкие нетоварные клубни массой до 25 г. Такая подработка вороха обеспечивает скважность насыпи и хорошую вентиляцию в процессе хранения. В период хранения или после производят сортирование клубней на фракции [62, 90]. Для качественной подготовки посадочного материала необходимо обеспечить максимально точное выделение семенной фракции. Это позволяет повысить качество работы посадочных машин, обеспечить равномерность всходов и созревание клубней, а также обеспечить лучшие условия для дальнейших технологических процессов [88, 90]. Процесс сортирования картофеля различными механическими устройствми характеризуется следующими основными показателями: точность разделения клубней на фракции, удельная производительность и степень повреждения обрабатываемого материала [19, 29]. На эффективность процесса сортирования картофеля в значительной степени влияют размерно-массовые характеристики клубней, условия работы и особенности конструкции рабочих органов и сортирующих устройств в целом [15]. На известных отечественных и зарубежных сортировках разделение клубней на фракции производится по размерному признаку на рабочих органах с различными формами калибрующих отверстий. Исследованиями влияния размерно-массовых характеристик клубней на процесс сортирования в нашей стране занимались И.Н. Бацанов, В.П. Горячкин, Е.А. Глухих, Н.Н. Колчин, Ю.И. Кириенко, А.М. Куклев, К.А. Пшеченков, А.А. Сорокин, Н.В. Шабуров, Б.М. Юн и другие. Было установлено, что для процесса сортирования на механических устройствах, клубень картофеля необходимо характеризовать несколькими линейными размерами: длиной – l , шириной – b , толщиной – c и S – размером, который определяется по зависимости  S 0,708 b2 c2 , (1.1) С учетом этих параметров приближённо клубень можно представить как эллипсоид (рисунок 1.7), где l , b , c — полуоси эллипсоида.  Рисунок 1.7 – Приближённая форма клубня Так как сортирование клубней в механических устройствах происходит по размерному признаку, то при разработке рабочих органов и конструкций сортировок необходимо учитывать зависимость массы клубня от размеров: длины – l, ширины – b и толщины – c . Эти статистические величины находятся в тесной корреляционной зависимости между собой. [19, 29, 98] и показывают, что масса клубня и каждый из его размеров, варьируются около определенного среднего значения. Это позволяет определить массовые границы каждой фракции и сортировать картофель по размерному признаку [19, 29, 98]. При рассмотрении процесса сортирования и определении приоритетного размера для разделения клубней, некоторые авторы утверждают, что длина и ширина клубня более достоверно отражают его массовые значения в сравнении с толщиной. Н.Н. Колчин утверждает [29], что как признак для сортирования, клубней картофеля, ни один из его размеров не имеет существенных преимуществ перед другими. Рассматривая зависимость средней массы клубня mk от значений его толщины, ширины и длины (рисунок 1,8), приведенные в [19, 29], видно, что кривые зависимостей имеют разную крутизну восхождения.  Рисунок 1.8 – Зависимость среднего значения массы mk клубня картофеля от его размеров: 1 – толщины c ; 2 – ширины b ; 3 – длины l . Анализируя приведенные зависимости можно отметить, что изменение толщины клубня отражается на изменении значения массы в больших пределах в сравнении с шириной и длиной клубня, то есть является более чувствительным параметром к соотношению масса – размер. Сортирование по толщине реализуется в щелевые калибрующие отверстия, которые позволяют направленно ориентировать клубни в продольном направлении. Поэтому сортировки основанные на разделении клубней по толщине можно рассматривать как перспективные, дающие предпосылки к разработке универсальных виброротационных сортирующих поверхностей позволяющих сепарировать примеси и сортировать клубни и иметь меньшие пределы регулировок калибрующих отверстий, а также размеры. Это позволит сортировать клубни различных фракций в щелевые отверстия при минимальном изменении размеров отверстий и реализовать возможность активного ориентирования сортируемой продукции. В результате может быть повышена производительность, уменьшены габариты сортирующего устройства, его материалоемкость и упрощены регулировки. Учитывая данное обстоятельство, можно принять в качестве приоритетного размера для разделения клубней – толщину c . Размерные признаки клубней определяют геометрическую форму калибрующих отверстий и тип рабочих органов сортировок. Практическую реализацию в механических сортировках нашли следующие размерные признаки клубня – ширина, толщина и S – размер, что отражено в конструкции рабочих поверхностей в виде решет, сеток, продольных ремней, роликов различной конфигурации и др. Каждому типу рабочей поверхности соответствует определенная форма и размеры калибрующих отверстий: для разделения клубней по толщине – продолговатые и щелеобразные; по ширине – круглые, по S – размеру – квадратные в том числе с регулируемым размером ячейки и т.д. Длина клубня как признак для разделения практически не используется. Важным показателем, характеризующим качество работы сортирующих устройств, при послеуборочной доработке картофеля является точность разделения клубней. При разделении клубней по размерным признакам качество работы сортирующей поверхности определяется теоретически возможной точностью сортирования, которая зависит от сорта картофеля, размерного признака для разделения, фракционного состава, а также конструктивных особенностей рабочих органов. Теоретически возможную точность сортирования конкретного сорта картофеля по принятому размерному признаку можно определить по размерномассовым вариационным диаграммам или корреляционным таблицам, составленным для этого сорта при данной урожайности [29, 30, 35]. Отдельные участки сортирующей поверхности характеризуются действительным коэффициентом точности сортирования по каждой фракции в (%), который определяется T100mi /mфi , (1.2) где mi – масса клубней, оказавшихся в данной фракции и отвечающим ее требованиям; mфi – общая масса клубней, выделенных в каждую фракцию. Для большинства механических устройств сортирующих по размерному признаку, как правило, теоретический коэффициент точности сортирования выше, чем действительный [35]. Это связано с тем, что для некоторой части клубней не обеспечивается необходимая ориентация над калибрующими отверстиями в процессе движения по сортирующей поверхности, а также неравномерной порционной подачей клубней на рабочую поверхность и др. Порционная подача является причиной неравномерной загрузки сортирующей поверхности по времени и количеству клубней. Одной из причин является использованием лопастных загрузочных конвейеров, осуществляющих дозированную подачу клубней, а также возможность зависания, сгруживания и обрушения клубней при подаче непосредственно из приемного бункера. Осуществить равномерную подачу картофеля на участок сортирования возможно при непосредственном переходе клубней с сепарирующей поверхности на сортирующую. Это может обеспечить комбинированная рабочая поверхность, состоящая из последовательно расположенных сепарирующего и сортирующего участков, выполненных в одном устройстве. Комбинированная поверхность, состоящая из сепарирующего и сортирующего участков, может состоять из рабочих органов различной конструкции либо одинаковой. При этом параметры и режимы функционирования комбинированной поверхности должны быть согласованы для обеспечения равномерного перехода клубней, исключения сгруживания и защемления клубней [7, 9, 30, 52]. Учитывая это обстоятельство, использование в конструкции комбинированной поверхности одинаковых по конструкции рабочих органов для сепарации примесей и сортирования клубней может являться более перспективным направлением. Комбинирование рабочих поверхностей широко применяют и ведущие иностранные фирмы – английские Downs, Vare – Grabers, Herbert, голландская – Miedema BV, немецкая – Grimme и др. Следующим немаловажным показателем работы сортирующих устройств является производительность. Повысить ее возможно за счет увеличения подачи, ширины и длины рабочей поверхности или путем увеличения площади живого сечения калибрующих отверстий. При значительном увеличении подачи клубни могут перемещаться по сортирующей поверхности более чем в один слой. При этом многие калибрующие отверстия могут быть перекрыты и вероятность прохождения через них клубней верхнего слоя снижается. Это сокращает число клубней контактирующих с калибрующими отверстиями сортирующей поверхности и как следствие снижается точность разделения клубней. Производительность сортирующего устройства напрямую зависит от типа и конструкции рабочих органов. По данным [29] использование в конструкции сортирующих устройств рабочих органов активного действия, например ротационных, повышает производительность по сравнению с другими типами рабочих органов таблица 1.1. Большие значения, в данном случае для роликовой поверхности, объясняются более активным действием роликов на проход клубней в калибрующие отверстия. Поэтому сортирующие поверхности активного действия, образованные вращающимися рабочими органами – ротационные, обладают большей интенсивностью сортирования по сравнению с другими [21, 29]. Таблица 1.1 – Сравнительный анализ производительности ременной и роликовой сортирующих поверхностей
Повышению производительности может способствовать также интенсивное рассредоточение клубней и уменьшение времени пребывания клубня над калибрующим отверстием, то есть время, в течение которого произойдет сравнение размеров калибрующего отверстия с размером клубня, по которому происходит сортирование. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы клубень был ориентирован соответствующим размером (ширина, толщина, S – размер) над калибрующим отверстием. Ориентирование клубня может быть реализовано по двум основным вариантам. Первый характеризуется интенсивным перемещением клубней с отрывом от рабочей поверхности и носит вероятностный характер. Второй – путем направленного ориентирования клубней рабочими органами или специальными механизмами при минимальном относительном перемещении клубней [81]. Это позволяет увеличить производительность сортирующих устройств и уменьшить повреждения картофеля при сортировании за счет сокращения времени взаимодействия клубней с рабочими органами до прохождения их в калибрующие отверстия. Следовательно, чем больше клубней получат направленное ориентирование за более короткий промежуток времени и пройдут в калибрующие отверстия или перейдут на следующий участок, тем выше будет производительность сортирующей поверхности. Поэтому, применение в сортирующих устройствах механизмов для направленного ориентирования клубней, а также рабочих органов, конструкция которых способствует ориентированию клубней, может повысить производительность и является перспективным направлением развития конструкций сортирующих устройств. Особое внимание при сортировании картофеля обращают на снижение уровня механических повреждений клубней, особенно свежеубранных. Возникновение повреждений тесно связано с количеством механизмов, задействованных в цикле послеуборочной доработки картофеля, технологических переходов и уровня перепадов между механизмами. Увеличению повреждений клубней способствуют также значительные относительные скорости и соударения клубней и элементов сортирующей поверхности обусловленных режимом функционирования. Для снижения контактных повреждений клубней при взаимодействии с рабочими органами сортировок и между собой, способствует уменьшение количества механизмов и перепадов между ними, увеличение радиуса кривизны рабочих органов, применение защитных покрытий из полимерных материалов, резины специальных марок, а также разработка рабочих органов новых форм [29, 30, 45]. С этой позиции комбинирование сепарирующих и сортирующих рабочих поверхностей в одном устройстве исключает дополнительные механизмы и обеспечивает непосредственный переход клубней с участка на участок, а также разработка новых форм рабочих органов является перспективным направлением. Рассмотрим с обозначенных выше позиций основные рабочие органы и устройства, применяемые для сортирования картофеля. Сортирование клубней по толщине реализовано в конструкции сортирующего устройства с ременной рабочей поверхностью с калибрующими отверстиями щелевой продолговатой формы (рисунок 1.9) [29, 35]. Бесконечные круглые ремни сортирующего устройства образуют веерообразную поверхность с нарастающим размером щелевого зазора. С целью изменения границ разделения картофеля и других корнеплодов одновременно на несколько фракций предусмотрено бесступенчатое изменение калибрующего зазора в широких пределах между расходящимися ремнями круглого сечения. Благодаря этому возможно универсальное применение устройства для сортирования клубней и корнеплодов разных форм и размеров.  Рисунок 1.9 – Сортирующее устройство с ременной рабочей поверхностью Исследования, проведенные Колчиным Н.Н. и Поповым А.А., показали, что при сортировании клубней в щелевые отверстия на ременной сортировке можно получить высокие показатели точности разделения на фракции до 90 % [35]. Для интенсификации процесса сортирования ремни совершают периодические колебания в вертикальной плоскости посредством механических встряхивателей специальной конструкции. В результате колебательных движений ремней клубни приобретают большую подвижность, что увеличивает количество случаев сравнения размера калибрующего отверстия и размера клубня, по которому происходит сортирования и как следствие вероятность прохождения клубня в калибрующее отверстие. Ременная поверхность обладает высокой технологичностью и практически не повреждает обрабатываемый материал, так как переносная скорость сортируемой массы и рабочей поверхности одинакова, и силовое воздействие последней на клубни ослаблено. Конструкция ременной поверхности обеспечивает также непосредственный переход клубней с одного участка сортирования на другой. В результате экспериментальных исследований [34 ]было установлено, что точность разделения картофеля на ременной сортировке в значительной степени зависит от сохранения установленного размера щелевых отверстий. В процессе работы устройства при взаимодействии клубней с ременной сортирующей поверхностью может происходить изменение размера калибрующей щели между ремнями, что отрицательно сказывается на точности сортирования. Совместное перемещение клубней и ремней исключает возможность дополнительной очистки клубней от почвы. Производительность ременной поверхности напрямую связана с точностью сортирования. Для обеспечения точности сортирования клубни должны располагаться на ремнях в один слой, так как относительное перемещение клубней сведено к минимуму и обеспечивается в основном встряхивателями. Это ограничивает возможность повышения производительности сортирующей поверхности. Для сортирования клубней по ширине применяют роликовые рабочие органы (рисунок 1.10), образующие калибрующие отверстия преимущественно округлой формы [29, 41]. Роликовые сортировки состоят из батарей роликовых валов. К их основным параметрам относятся: диаметр роликов – Dp ; зазор между ними – с ; частота вращения – n; длина сортирующего участка – lс ; ширина сортирующего участка – B . Роликовые рабочие органы получили реализацию как в отечественном оборудовании, например КСП – 15 Б, КСП – 15 В, КСП – 25 так и в оборудовании зарубежных фирм голландской – Miedema BV, немецкой – Grimme и др.  Рисунок 1.10 – Сортирующее устройство с роликовой рабочей поверхностью В данном оборудовании используется принцип комбинирования сепарирующих и сортирующих поверхностей. Используемые в комбинированных поверхностях дисковые, пружинные и др. рабочие органы обеспечивают интенсивное рассредоточение вороха, выделение примесей и равномерную подачу клубней на сортирующую поверхность без дополнительных механизмов Регулировка калибрующих отверстий роликовых сортировок осуществляется путем увеличения расстояния между соседними роликовыми валами. При этом может изменяться форма калибрующего отверстия от округлой до овальной, что негативно сказывается на точности сортирования, особенно клубней удлиненной формы, и приводит к их повреждениям до 15 %. К недостаткам роликовой сортирующей поверхности также можно отнести: значительные повреждения клубней связанные с интенсивным режимом вращения роликов до 21с1 и защемление клубней. При обработке картофельного вороха повышенной влажности и значительным содержанием примесей происходит залипания почвой поверхности роликов, изменение размеров калибрующих отверстий, что снижаете точность сортирования [29, 98]. Для сортирования по S – размеру используются сетчатые рабочие органы. Они образованы бесконечным сетчатым полотном с квадратными отверстиями, имеющими фиксированный размер калибрующих ячеек (рисунок 1.11).  Рисунок 1.11 – Сортировка с сетчатой рабочей поверхностью Для интенсификации процесса сортирования используют встряхиватели с изменяемой амплитудой и частотой колебаний. На одной сетчатой поверхности клубни разделяются на две фракции, для выделения других фракций необходимо заменить полотно. С переходом на другие сорта картофеля изменяют и скорость движения полотна в пределах 0,1...0,5 м/с, а также частоту и амплитуду встряхивания. Производительность сетчатых поверхностей ограничена необходимостью подачи клубней в один слой, так как клубни и сетка движутся совместно и ограничено их взаимное перемещение – только при встряхивании. Необходимость замены сетчатого полотна при переходе на другие сорта или изменение границ фракций увеличивает материалоемкость сортировок и время, затрачиваемое на перенастройку [29]. Сортирование по S – размеру на сетчатом полотне подразумевает взаимодействие клубня сразу с четырьмя гранями калибрующего отверстия, в отличие от сортирования по толщине, где достаточно двух граней. Следовательно, при встряхивании сетчатого полотна и прохождении клубня в калибрующее отверстие необходимо его точное расположение над отверстием, что ограничивает производительность и увеличивается вероятность повреждения клубней, виде обдиров. Возможно также заклинивание клубня в калибрующем отверстии и вследствие травмирование и перемещение на другой участок, что снижает точность сортирования. Разделение клубней по S – размеру реализовано также в сортировках грохотного типа. Рабочая поверхность образована металлическими решетами с квадратными отверстиями. Наибольшее распространение получили сортировки с параллельным (ярусным) расположением решет (рисунок 1.12), на которых осуществляется параллельное выделение фракций.  Рисунок 1.12 – Сортировка грохотного типа Подобные сортировки используются, в том числе, и за рубежом для сортировки картофеля и лука. Колеблющиеся решета установлены с наклоном вниз или горизонтально, для обеспечения кинематических параметров. Колебания решет происходит с помощью кулачкового встряхивателя. Сортировки работают на режимах, при которых сортируемый продукция перемещается по решетам без отрыва от поверхности с чередованием скольжения и остановок [43, 85]. При сортировании картофеля эти параметры принимают в следующих пределах: угол наклона решета 610; амплитуда встряхивания A 25...30 мм; частота вращения эксцентрикового вала 23...26 с1 [43]. Грохотные сортировки обеспечивают точность сортирования в пределах 70…95 %. Производительность сортировок ограничена необходимостью нахождения и перемещения клубней по решету в один слой. Повреждения клубней на грохотных сортировках зависят от уровня силового воздействия, который определяется режимом движения решет с одной стороны и производительностью с другой. При обработке влажного и засоренного почвенными и растительными примесями вороха, наблюдается налипание почвы на калибрующие отверстия и зависание примесей на решетах. В результате изменяется размер калибрующих отверстий, что снижает точность сортирования и снижение производительности в результате частичного перекрытия отверстий растительными примесями. Анализируя рассмотренные выше технологические процессы сортирующих устройств, можно заключить, что практически во всех случаях разделение на фракции основано на вероятностных процесса. По данным [23, 44, 51, 54] интенсивность процесса сортирования можно повысить за счет направленного ориентирования клубней относительно калибрующих отверстий. При этом конструкция рабочих органов и режимы работы сортировок определяют процесс ориентирования и время нахождения клубней на сортирующей поверхности. Повысить точность и сократить время сортирования возможно при более быстром совпадении расположении размера клубня, по которому происходит сортирование с плоскостью калибрующего отверстия [81]. Один из вариантов направленного ориентирования клубней в щелевой зазор реализован на дисково-ленточном сортирующем устройстве конструкции НИПТИМЭСХ НЗ. Направленное ориентирование клубней в щелевой зазор обеспечивается путем их разворота на дисках разного диаметра. С целью сокращения времени разворота и ориентации клубней в отверстия диски выполнены разного диаметра [51]. Другой вариант придания клубням направленного ориентирования был реализован в конструкции ременной сортирующей поверхности, где разделение происходит по признаку – толщина. Для этого ременная поверхность дополнительно оборудована ориентирующими дисками, установленными между ремнями. В результате чего обеспечивается направленное ориентирование клубней и корнеплодов в щелевые калибровочные отверстия. Ориентирующие диски способствуют развороту клубней длинной осью вдоль щелей, образованных ремнями. В результате сокращается время перемещения клубня в калибровочное отверстие до 0,45 с [29, 35]. По данным [29, 35, 43] скорости движения ремней и ориентирующих дисков равны 0,7…0,8 м/с и 0,84…1,2 м/с соответственно при высоте их установки над ременной поверхностью 10…15 мм. В результате длина зоны сортирования после ориентирующих дисков сокращается и составляет 3000…350 мм. При сортировании корнеплодов и клубней удлиненных форм обеспечению лучшей ориентации способствуют разные скорости соседние ремней ременной сортирующей поверхности (различие 0,1…0,2 м/с). При этом происходит их поворот и ориентация вдоль щелевых калибрующих отверстий. Как видно из приведенного обзора механические сортирующие устройства, основанные на признаке разделения – толщина имеют больший потенциал в реализации принципа активного ориентирования сортируемой продукции в сравнении с сортировками, основанными на других признаках разделения. Результатом направленного ориентирования и ускорения взаимодействия клубней с калибрующими отверстиями является уменьшение времени сравнения размера клубня и калибрующего отверстия. Следовательно, за одно и тоже время можно увеличить количество клубней взаимодействующих с данными калибрующими отверстиями, что будет способствовать повышению производительности сортирующего устройства в целом. Исследованиями Алакина В.М., Верменка Я.И., Сафразбекяна О.А., Шабурова Н.В. и других ученых установлено, что ротационные рабочие органы обладают высокой транспортирующей способностью при щадящем режиме взаимодействия с клубнями с возможностью сортирования. По данным [5, 7] сортировки с ротационными рабочими органами на основе роторно-пальцевых способны осуществлять процесс сепарации примесей и сортирования клубней на одной рабочей поверхности универсальными рабочими органами. Разделение клубней происходит по толщине в калибрующие отверстия щелевой формы. Для реализации данного процесса была предложена экспериментальная конструкция рабочих органов с образованием калибрующий отверстий щелевой формы. Частота вращения была принята на уровне 4,7...5,2 с1. Разработка была реализована и испытана на уровне опытного образца в условиях Калужской области. По данным [5, 7] данные режимы вращения 4,7...5,2 с1 обеспечивают производительность при сортировании в среднем 15...18 т/ч на уровне роликовых и сетчатых сортировок. При этом наблюдалась недостаточная точность сортирования картофеля, которая составляла в среднем 75 %, особенно на сортах с удлиненно-овальной и длинно-овальной формой. что связано с недостаточной эффективностью ориентирования клубней вдоль щелевых отверстий. Уровень повреждения клубней находился в пределах 3…5 %., эффективность сепарации примесей до 95 %. По данным [15] около 80 % внесенных в Госреестр сортов картофеля имеют удлиненно-овальную и длинно-овальную формы клубней. Поэтому разработка и совершенствование сортировок на основе универсальных роторно-пальцевых рабочих органов, способных выделять примеси и сортировать клубни является перспективным направлением. При этом необходимо выдержать щадящий кинематический режим рабочих органов и изыскать новые конструктивные решения по реализации процесса активного ориентирования клубней, в том числе за счет сочетания вращательного и вибрационного движения рабочих органов. 3. Конструкторская разработка. 3.1Обоснование конструкции предлагаемой сельскохозяйственной машины. В результате анализа и предложенной классификации рабочих органов ротационных сепараторов, а также ротационных рабочих органов сортирующих поверхностей, определены достоинства этих устройств. Они заключаются в высокой транспортирующей способности, в простоте конструкции и регулировок, например роликовые поверхности, технологической эффективности и надежности и возможности активного ориентирования. Но при этом были выявлены и присущие им некоторые недостатки, например, для роторно-пальцевых – несоответствующая агротехническим требованиям точность сортирования картофеля. Исходные параметры геометрической формы роторно-пальцевых рабочих органов сепарирующих и сортирующих устройств были разработаны Н.В. Шабуровым и В.М. Алакиным [7, 101]. В результате анализа существующих конструкций сепарирующих и сортирующих рабочих органов и изысканий направленных, на разработку универсального рабочего органа, обеспечивающего надежность технологического процесса в тяжелых почвенно-климатических условиях, была предложена для дальнейшей разработки и совершенствования сортирующих рабочих органов, конструкция виброротора с пальцеобразными выступами сферической усеченной формой (рисунок 2.1). Пальцеобразные выступы предлагается разместить с наклоном против направления вращения виброротора для устранения захвата и защемления компонентов вороха и наматывания растительности на валы [7, 66]. Отношение наружного диаметра виброротора к диаметру окружности впадин пальцеобразных выступов принимаем равное 2:1, что позволяет для любого наружного диаметра виброротора получить необходимое количество выступов с одинаковой кривизной их поверхности [7, 66].  Рисунок 2.1 – Универсальный виброротор Примем условно размер клубня, по его среднему диаметру d 0,05 м, тогда по данным [29] наружный диаметр виброротора должен составлять D 0,2 м. Количество выступов будет равно двенадцати на основании графического построения при пропорциональном вычерчивании проекций пальцеобразных выступов радиусом виброротора центр, которого размещен в вершине четвертого пальца по очередности [7]. Упругие свойства конструкции и частичные радиальные колебания вершин усеченных резиновых пальцеобразных выступов должны обеспечить самоочистку вибророторов от налипания почвы и снизить повреждения клубней. Значения параметров виброротора в результате исследований приняты как исходные дальнейшей разработки и создания универсальных сортирующих поверхностей. В качестве основных параметров виброротора, принятых к исследованиям и дальнейшей разработке, относятся следующие: наружный диаметр, описывающий вершины пальцеобразных выступов – Dр 0,2 м , диаметр, вписанный в основание выступов – dр 0,14 м, толщина виброротора – Т 0,02 м, количество пальцеобразных выступов – n 12шт, длинна выступа – l 0,03 м, толщина выступа в основании и в вершине. Геометрические параметры вибророторов и криволинейная конфигурация пальцеобразных выступов под углом к окружности в сторону, противоположную их вращению, определены на основе анализа параметров ротационных рабочих органов, применяемых в сельхозмашинах, и обеспечивают плавный переход клубней между рабочими органами и должны обеспечить устойчивое перемещение клубней, снижение скорости их соударения и повреждения. Конструкция сортировки с универсальными вибророторами должна обеспечить эффективное выделение примесей и сортирование клубней в требуемом диапазоне технологических регулировок с обеспечением основных технологических операций и вариантов обработки картофеля. Кроме технологической адаптации конструкция нового устройства предусматривает обеспечение технологической надежности с целью предотвращения налипания почвы и забивания рабочих просветов. Для осуществления щадящего контакта вибророторов с клубнями, повышения эффективности ориентирования и сортирования клубней будут проведены исследования по обоснованию формы пальцеобразных выступов и их конструкции. 3.2 Выбор параметров картофелесортировки. Кинематический расчет показателей режима работы. Конструкция сортирующей поверхности предполагает сортирование клубней по толщине в щелевые отверстия, образованные между соседними вибророторами, расположенными на одном валу. Вибророторы соседних рядов необходимо установить в шахматном порядке без перекрытия. В этом случае увеличивается живое сечение рабочей поверхности, исключается защемление и выдавливание клубней в щелевые отверстия, что присуще роликовым устройствам, где калибрующие отверстия образуются встречно вращающимися поверхностями роликов. Сортировкам на основе ротоно-пальцевых рабочих органов присущ недостаток – снижение точности сортирования клубней при увеличении подачи продукта, особенно на сортах с округло-овальной и овально-удлиненной формой. Это объясняется тем, что сортирование происходит в щелевые отверстия и для перемещения и прохождения клубня в калибрующее отверстие необходимо ориентировать его длинной осью вдоль отверстия. Так как время пребывания клубней проходовой фракции над соответствующим участком сортирующей поверхности ограничено, то не все клубни успевают получить необходимое ориентирование. В результате они переходят на следующий участок сортирования и попадают в другую фракцию, что снижает точность сортирования. В тоже время сортирование в щелевые отверстия подразумевает возможность направленного ориентирования клубней [5, 6, 52]. Для осуществления активного направленного ориентирования клубня, находящегося на сортирующей поверхности, к нему необходимо приложить дополнительно силу или момент. В зависимости от формы и положения клубня на сортирующей поверхности он может занимать устойчивое, неустойчивое или хаотичное положение. Вывести клубень из такого положения можно, за счет вибрации рабочих органов в поперечном направлении относительно продольного перемещения клубней, что может создать дополнительный разворачивающий момент и способствовать направленному ориентированию клубней относительно калибрующих отверстий и сократить время сортирования можно за счет поперечных колебаний вибророторов [53]. Вибрационное воздействие на клубень со стороны вибророторов создает момент сил относительно центра клубня, что приведет к его направленному повороту и ориентированию относительно калибрующего отверстия и снизит силы внутреннего трения между клубнями и рабочими органами. При этом амплитуда и частота вибрации вибророторов не должны привести к отрыву и хаотичному перебрасыванию клубней в поперечном направлении. То есть перемещение единичного клубня при вибрации должно осуществляться в пределах калибрующего отверстия, образованного соседними вибророторами. Таким образом, для ускорения процесса ориентации клубней необходим его ограниченный поворот при минимальном смещении центра масс клубня относительно центра калибрующего отверстия. Ориентирование рассматривается как процесс приведения клубней из любого положения в направленное, т.е. в нашем случае длинной осью эллипсоида вдоль калибрующего отверстия. Этот процесс охарактеризуется рядом количественных и качественных показателей, т.е. количеством переходов из одного положения в другое до совпадения с заданным, а также средствами и способами реализации ориентирования клубней [54]. Таким образом, направленный поворот клубней длинной осью эллипсоида вдоль калибрующего отверстия должен ускорить процесс сравнения размеров калибрующего отверстия с размерами клубней, в данном случае толщиной при безотрывном их перемещении и способствовать повышению производительности и точности сортирования. Процесс направленного ориентирования возможен при безотрывном перемещении клубней, поэтому примем следующие допущения, клубень захватывается соседними вибророторами и скольжение по ним отсутствует, форму клубня примем виде эллипсоида с полуосями: l – длина, м; с – толщина клубня, м (рисунок. 2.2 вид сверху).  а) б) а) – до начала ориентирования; б) – после ориентирования; 1 – вибророторы; 2 – клубень. Рисунок 2.2 – Положение клубня над калибрующим отверстием Н  аибольшее возмущение клубень получает вокруг оси z – главные центральные оси эллипсоида не совпадают с осью калибрующего отверстия, т.е. клубень расположен длинной осью l не вдоль калибрующего отверстия, а под некоторым углом , точки контакта относительно центра тяжести, и боковые реакции образуют пару сил с моментом M T H tg, (2.1) где Т – суммарная сила, действующая на клубень со стороны вибророторов, Н (Т Т1 Т2). Так как момент реакций направлен против угла отклонения, его можно считать восстанавливающим, т.е. возвращающим в положению устойчивого движения. Следовательно, вибрационное воздействие на клубни в поперечном направлении со стороны вибророторов, образующих щелевое калибрующее отверстие, будет создавать момент, способствующий процессу активного направленного ориентирования клубней. 3.3Расчет основных элементов картофелесортировки. Технологическая схема виброротационной сортировки разработана на основе исходных параметров конструкции и режимов работы ротационных сепараторов и сортировок [7, 9, 101]. Создание и применение вибророторов новой конструкции обусловлено технологической необходимостью повышения удельной производительности и точности сортирования клубней. Схема универсальной сортирующей поверхности с непосредственным межоперационным переходом обрабатываемой продукции должна обеспечить повышение эффективности сортирования картофеля, снижение материалоэнергоемкости устройства и повреждения клубней. [47, 61, 66, 77]. Выполнение процессов сепарации и сортирования происходит при подаче клубней картофеля на универсальную сортирующую поверхность в один или полтора слоя. Интенсивное ориентирование клубней относительно калибрующих отверстий происходит при вибрационном и вращательном действии вибророторов. В результате происходит сложное перемещение клубней относительно калибрующих отверстий. Ориентирование и прохождение клубней через калибрующие отверстия ускоряются за счет сложного виброкинематического действия со стороны вибророторов [6, 32, 36]. Для обеспечения выполнения технологических операций сортирующая поверхность образована из набора параллельных валов (рисунок 2.3), на которых установлены в шахматном порядке без перекрытия вибророторы.  Рисунок 2.3 – Схема сортирующей поверхности Валы устанавливаются на общей раме в несколько рядов и вращаются в одну сторону с одинаковой угловой скоростью. При этом одновременно с вращением каждый вал совершает вибрационное движение в поперечном направлении как показано двухсторонней стрелкой на рисунке 2.3. Вибрационное движение соседних валов происходит в противофазе для уравновешивания масс и системы привода [14, 20, 73]. Обрабатываемая масса движется по сортирующей поверхности в направлении вращения вибророторов как показано крупной стрелкой. Соседние вибророторы, установленные на одном валу образуют между своими боковыми поверхностями калибрующие отверстиями щелевой формы и установлены на соседних валах без перекрытия. Для регулирования размеров калибрующих отверстий необходимо относительное перемещение вибророторов вдоль вала. Передачу поперечного вибрационного действия осуществляет вибропривод с механизмом двойного эксцентрика. Для этого валы установлены на упругих подвесках и имеют одну степень свободы. Виброротационная сортировка (рисунок 2.4) обеспечивает полнооперационный вариант доработки картофеля путем настройки на отделение примесей и сортирование клубней или малооперационный – путем настройки только на сепарацию примесей и мелких клубней. На работу по указанным вариантам сортировку настраивают путем регулировки зазоров между вибророторами и изменения угловой скорости их вращения.  1 – рама; 2 – приемный лоток; 3 – валы с вибророторами; 4 – упругие крепления валов с вибророторами; 5 – скатной лоток с затаривающим устройством; 6 – вибропривод; 7– эксцентриковый вал вибропривода; 8 – мотор-редуктор; 9 – выгрузные лотки; 10 – самоустанавливающиеся опорные колеса. Рисунок 2.4 – Конструктивно-технологическая схема виброротационной сортировки Основная особенность данного устройства заключается в совмещении на одной рабочей поверхности операций отделения примесей и сортирования клубней, а также в обеспечении непосредственного межоперационного перехода клубней с участка отделения примесей на участки сортирования без перепада. Использование щадящего режима движения клубней без отрыва от рабочей поверхности позволит обеспечить низкий уровень механических воздействий на них. С целью снижения травмирования клубней закладываемых на длительное хранение при осенней доработке картофеля виброротационная сортировка должна обеспечить выполнение малооперационной технологической схемы. Для этого посредством загрузочного конвейера либо приемного бункера ворох картофеля подается на рабочую поверхность для выделения просеивающихся почвенных, растительных примесей и фуража (клубней массой до 25г). Далее путем непосредственного межоперационного перехода картофель поступает на следующий участок, где выделяется мелкая фракции. Средняя и крупная фракции идут в сход. Дополнительная переборка картофеля крупной и средней фракции перед закладкой может осуществляться на выгрузных конвейерах или переборочном столе. Поэтому при малооперационной обработке выполняется только сепарация примесей и выделение мелких клубней без сортирования картофеля. При полнооперационной схеме обработки, универсальная сортировка настраивается на сепарацию примесей и разделение картофеля на мелкую, среднюю и крупную фракции. Аналогично первому варианту ворох картофеля подается на участок выделения примесей и клубней мелкой фракции. Первый по ходу технологического процесса скатной лоток 9 выполнен с днищем из гладких обрезиненных прутков, расположенных с зазором для выделения примесей. Прутки лотка закреплены консолеобразно и под действием падающих клубней происходит вибрационное воздействие на примеси и клубни, что способствует лучшему скатыванию клубней и очистке от примесей. Клубни мелкой фракции скатываются по лотку, а примеси просеиваются в зазоры между прутками. Далее путем непосредственного межоперационного перехода картофель поступает на участок сортирования средней фракции. Клубни крупной фракции идут в сход. Отсепарированные примеси и выделенные в определенную фракцию клубни, посредством отводных конвейеров выносятся за пределы сортировки для затаривания в емкости, реализации или закладки в закром на хранение. 4. Настройка на работу, основные регулировки машины Изучение процесса ориентирования клубней с помощью видеосъемки показало, что в зависимости от режима вибрации наблюдаются различные траектории перемещения клубней. Фрагменты видеозаписи ориентирования клубней до и после периода их перемещения на поверхности одного ряда вибророторов при определенной теоретически угловой скорости вращения Р 5с1, амплитуде вибрации А3мм и частоте, полученной в предыдущих опытах, 10Гц, подаче q 4кг/с, представлены на рисунке 4.3 а) и б).   а) б) а) начало ориентирования при подъеме клубня вибророторами; б) завершение ориентирования над калибрующим отверстием Рисунок 4.3 – Ориентирование клубней вибророторами Видеозапись траектории перемещения клубней относительно калибрующего отверстия показала, что при частоте колебаний 10Гц, амплитуде А3мм и угловой скорости вращения Р 5с1 наблюдалось ускорение ориентирования клубней с момента начала их взаимодействия с вибророторами и дальнейшего перемещения. При угловой скорости вращения Р 5с1, амплитуде вибрации А3мм и частоте 5Гц и практически не выявлен эффект ориентирования клубней в пределах калибрующего отверстия между вибророторами. При угловой скорости вращения Р 5с1, амплитуде вибрации А3мм и частоте 15Гц выявлена значительная боковая подвижность клубней с элементами частичного отрыва и снижения эффекта ориентирования (рисунок 4.4).  Рисунок 4.4 –Отрыв клубней от рабочей поверхности и ослабление эффекта ориентирования На следующем этапе лабораторных опытов исследовали процесс подвижности и ускорения ориентирования клубней при изменении амплитуды вибрации в пределах А1,5...4,5мм и постоянных значениях угловой скорости вращения вибророторов Р 5с1 и частоте 10Гц. Анализ изображения показал, что при установке расчетных значений амплитуды вибрации и угловой скорости вращения вибророторов происходит поворот клубней и ускоренное ориентирование в отверстие. Съемки ориентирования были проведены за период с начала момента взаимодействия клубней с вибророторами (рисунок 4.5) до расположения их над калибрующим отверстием.  Рисунок 4.5 – Ориентирование клубней вследствие вибрации После обработки и анализа снимков эксперимента подтвердили значение амплитуды колебаний вибророторов А мм3 , которая приводит к направленному ориентирования клубней в калибрующие отверстия при ограниченном боковом перемещении. При амплитуде колебаний А1,5мм ослаблен эффект подвижности и практически не выявлено направленное ориентирования клубней в пределах калибрующего отверстия между вибророторами. При амплитуде колебаний А4,5мм выявлена повышенная активность и перебрасывание отдельных клубней за пределы калибрующего отверстия и снижение эффекта ориентирования. В результате обработки видеоматериалов установлено, что определяющим действием, влияющим на подвижность и ускорение ориентирования клубней, является не амплитуда или частота колебаний отдельно взятые, а их совместное действие. Наибольшая эффективность этого действия установлена на определенном уровне (амплитуда А мм3 , частота 10Гц) сочетания режимов вибрации для принятой конструкции вибророторов, которая определена в результате теоретических исследований. Также установлено, что вибрационное воздействие на перемещаемый картофель снижает силы внутреннего трения между клубнями в ворохе. Этим обеспечивается более интенсивное рассредоточение вороха и большая подвижность клубней при взаимодействие с калибрующими отверстиями. В качестве критерия оптимизации определили точность разделения картофеля на фракции из (3.3). При проведении экспериментов установлено, что точность сортирования зависит от частоты и амплитуды вибрации от среднего уровня, который определен в предшествующих опытах. При постоянных значениях угловой скорости вращения вибророторов Р 5с1 и вибрационном воздействии с амплитудой А мм3 и частотой 8...12Гц, клубни имели относительную подвижность в пределах калибрующего отверстия без перемещения на соседние. При этом точность сортирования составила 92 % при частоте около 10Гц (рисунок 4.6).  Рисунок 4.6 – Зависимость точности сортирования от частоты вибрации В результате проведенных исследований установлены параметры и режим работы виброротационной сортировки, которые обеспечили максимально возможную эффективность ориентирования клубней и точность сортирования: угловая скорость вращения вибророторов Р 5с1, амплитуда вибрации А мм3 , частота 10Гц, обеспечивающие направленное ориентирование клубней в отверстия и показатели точности сортирования 92 % при подаче q4кг с/ . | ||||||||||||||||||