Технологические основы сепарации клубней картофеля и почвенных комков фрикционным сепарирующим устройством нового типа

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.362.3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕПАРАЦИИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ И ПОЧВЕННЫХ КОМКОВ ФРИКЦИОННЫМ СЕПАРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ НОВОГО ТИПА

В. Е. Зубков, канд. техн. наук

Луганский национальный университет им. Тараса Шевченко

В статье приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований технологических основ сепарации клубней картофеля и почвенных комков в фрикционном сепарирующем устройстве нового типа. В этом устройстве реализуется различие в фрикционных свойствах клубней картофеля и почвенных комков при взаимодействии их с гибкими нитями переменного сечения. Экспериментальная проверка показала высокую эффективность этого устройства.

Ключевые слова: корнеплоды, клубни, комки, камни, сепарация, фрикционные свойства.

Механизированная технология уборки картофеля и других корнеклубнеплодов в настоящее время базируется на уборочных машинах подкапывающего типа, в связи с чем в убираемый ворох вместе с корнеклубнеплодами попадает значительное количество почвенных комков, а в каменистых почвенных зонах и камней [1]. Поэтому отделение клубней картофеля, корней сахарной свеклы, моркови и других корнеклубнеплодов от равновеликих почвенных комков и камней до сих пор остается серьезной проблемой.

Несмотря на то что за последние годы зарубежные ученые и конструкторы разработали сепараторы различных типов, операция отделения клубней картофеля от равновеликих прочных почвенных комков и камней зачастую выполняется вручную. В частности, на картофелеуборочном комбайне фирмы „Grimme» [2], которая примерно на 70 % обеспечивает европейский рынок такой техникой, используется труд 56 рабочих-переборщиков.

Наибольшее различие клубни картофеля (и другие корнеклубнеплоды), почвенные комки и камни имеют в плотности, поэтому наиболее эффективны устройства, реализующие в своем технологическом процессе различие именно по этому признаку.

Так, сепарация в суспензии промежуточной плотности дает 100 %о-ное отделение корнеклубнеплодов от примесей, но из-за смачивания корнеклубнеплодов, приводящего к дополнительной операции сушки

и большому расходу воды (до 30 % от массы корнеклубнеплодов) распространение этот метод не получил [3].

Сепарация компонентов в псевдоожи-женном слое зернистого материала, также обладающая 100 %-ной эффективностью, не получила распространения из-за необходимости регенерации слоя зернистого материала [4].

Достаточно эффективной является сепарация компонентов в блокированном псевдоожиженном слое [5].

В частности, проверка на реальном ворохе работы установки, состоящей из вращающегося барабана с блокированным псевдоожиженным слоем на его внешней поверхности, и вентилятора, подающего воздушный поток в полость барабана, показала, что ее применение в производственных условиях позволит в 2-3 раза снизить затраты ручного труда на операции отделения клубней картофеля от комков почвы и камней [1]. Совершенствование процесса разделения в данном направлении ведется с целью снижения энергоемкости и повышения его эффективности.

Рассмотрим расчетную схему установки, в которой процесс разделения осуществляется на поверхности вращающегося барабана в пределах углов его поворота от 0 до 90° (рис. 1).

На основе проведенных нами ранее исследований установлено, что процесс разделения компонентов можно считать практически завершенным при угле поворота барабана около 75° [1].

0° ш// гл_с / ' < е__ а со 5а й лч/ ЙД / у\ Рв \ / ,гпд ;

1 ; \ \ \ ч _ " N . У ; 96 У _ у у* *

Рис. 1. Расчетная схема разделения тел в БПС на поверхности барабана

Равенство составляющих сил центробежной и веса в радиальном направлении при этих углах можно представить отношением:

2

ты Р

= 1.

тд.еоэ а

Приняв расчетное значение Р = 0,25 м, установили, что при угле поворота барабана а = 75°, частота его вращения будет равняться примерно 30,8 об/мин.

Так как при этом значении угла а на тело в радиальном направлении действует примерно 50 % силы веса, то для осуществления технологического процесса отделения выталкивающую силу можно также снизить примерно вдвое. Уменьшение выталкивающей силы позволит также примерно в два раза снизить затраты мощности на процесс отделения (снижается скорость проходящего через слой воздушного потока и его аэродинамическое сопротивление).

р-з к п'м3

1200

800

400

1

2

3 5 7 с1, см

Рис. 2. Эффективная плотность системы БПС - погруженное тело при V, м/с: 1 - 7,3; 2 - 4,7

Для оценки влияния снижения величины выталкивающей силы на сепарирую-

щую способность слоя используем полученную нами опытным путем зависимость эффективной плотности системы «слой -погруженное в него тело» от диаметра самих тел. (рис. 2).

В данном случае под эффективной плотностью системы «слой - погруженное тело» понимается частное от деления выталкивающей силы, действующей на тело в слое, к объему тела и ускорению свободного падения. Этот показатель, имея размерность плотности, упрощает оценку разделяющей способности слоя.

Как следует из графика рис. 2, эффективная плотность слоя снижается с увеличением диаметра разделяемых тел. При этом с уменьшением скорости воздушного потока от 7,3 до 4,7 м/с зависимость эффективной плотности от диаметра нивелируется, что приближает процесс отделения в слое к процессу разделения тел в стационарных средах промежуточной плотности. Из приведенных выше рассуждений можно сделать заключение, что повышение частоты оборотов барабана приводит к изменению физических основ процесса отделения. Так, при радиусе барабана Р = 0,25 м, угле съема клубней а = 75 частоте оборотов барабана до п = 30,8, процесс отделения еще зависит от разности в плотности компонентов.

Если же частота вращения барабана будет больше 30, 8 об/мин, то в этом случае составляющая веса тела уравновешивается составляющей центробежной силы и процесс разделения протекает лишь за счет выталкивающей силы. Известно [5], что выталкивающая сила в блокированном псевдоожиженном слое складывается из трех составляющих - статической и динамической от давления воздушного потока, а также механической - от сил трения нитей переменного сечения о тело.

Статическая и динамическая составляющие действуют на поверхность тел как суммарное, полное давление, поэтому для тел одинаковых размеров они одинаковы, а их изменение, при прочих равных условиях, зависит только от размеров тел, погружаемых в слой. В связи с вышесказанным при частоте вращения барабана более 30, 8 об/мин процесс разделения компонентов будет осуществляться только за счет разницы в фрикционных свойствах компонентов.

С дальнейшим увеличением частоты вращения сепарирующих барабанов до п > 50 об/мин нити приходят в напряженное состояние уже за счет центробежной силы. Поэтому подача воздушного потока может

Геометрические размеры клубней и комков, используемых в опытах

№ п/п Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм

Клубни Комки Клубни Комки Клубни Комки

1. 36 66 34 57 30 36

2. 41 81 38 56 35 45

3. 56 79 44 61 41 58

4. 57 70 46 57 42 49

5. 58 77 53 59 46 49

6. 59 76 57 58 47 55

7. 67 77 53 72 47 48

8. 73 87 55 58 50 52

9. 68 76 64 70 54 54

10. 91 92 77 86 55 84

быть прекращена, что позволит значительно снизить энергозатраты на технологический процесс разделения.

В процессе исследований механического взаимодействия твердой фазы блокированного псевдоожиженного слоя - гибких нитей переменного сечения с сепарируемыми телами - корнеклубнеплодами и примесями было установлено [6], что при продольном перемещении вдоль гибких нитей переменного сечения коэффициент обобщенного трения у почвенных комков примерно в два раза выше, чем у клубней. Это создает определенные предпосылки для эффективного разделения корнеклубнеплодов и примесей по различию их в фрикционных свойствах. Однако в реальном процессе сепарации возможны перемещения тел не только вдоль, но и поперек слоя гибких нитей переменного сечения.

Для того чтобы установить величину различия в фрикционных свойствах корнеклубнеплодов и примесей при поперечном перемещении их относительно слоя гибких нитей переменного сечения, нами была разработана установка, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для определения поперечной силы трения клубней картофеля и почвенных комков о слой нитей переменного сечения: Л - глубина погружения тел в слой нитей; Р - сила трения клубней картофеля и почвенных комков о слой нитей

Корнеклубнеплоды и примеси поштучно подвешивались с помощью специально-

го кольца на жесткую нить, проходящую через слой гибких нитей переменного сечения. С помощью гибкой нити, перекинутой через блок, к телу прикладывалась нагрузка. Нагрузка, соответствующая моменту начала перемещения тел в слое гибких нитей переменного сечения, по жесткой нити фиксировалась.

В опытах использовались клубни картофеля и почвенные комки, имеющие следующие параметры (таблица). Полученные результаты представлены на графике (рис. 4). Как следует из графика, поперечные силы трения клубней и примесей о гибкие нити переменного сечения, так же как и продольные, не перекрываются, что свидетельствует о возможности их полного разделения по этому признаку.

Рис. 4. Поперечная сила трения о нити переменного сечения клубней картофеля и почвенных комков в зависимости от их погружения в слой: 1-2 - зона рассеяния признака у клубней картофеля; 3-4 - зона рассеяния признака у почвенных комков

Экспериментальная проверка возможности разделения корнеклубнеплодов (в частности корней свеклы) и почвенных комков осуществлялась на наклонном двухбара-банном очистителе, в котором смесь корней (или клубней) и примесей однорядным потоком подавалась на наклонный желоб,

Рис. 5. Схема технологического процесса разделения корнеклубнеплодов и примесей: 1 и 2 - вращающиеся в одну сторону барабаны с закреплёнными на их поверхности нитями переменного сечения 3; 4 и 5 - соответственно примеси и корнеклубнеплоды;

6 - барабанное прижимное устройство; 7 и 8 - соответственно приёмники корнеклубнеплодов и примесей

образованный парой вращающихся в одну сторону барабанов [7].

На поверхностях барабанов были закреплены гибкие нити переменного сечения, находящиеся под действием центробежной силы в напряженном состоянии [7]. Хотя и был достигнут достаточно высокий показатель эффективности разделения при незначительной энергоемкости, все же следует отметить низкую производительность устройства, повысить которую можно только путем увеличения числа пар сепа-

рирующих барабанов, что соответственно приведет к росту габаритов сепаратора и к проблеме размещения его на мобильной корнеклубнеуборочной машине.

С целью повышения производительности, а также эффективности процесса сепарации корнеклубнеплодов нами была разработана установка, представленная на рис. 5, которая защищена патентом [8]. Она состоит из двух установленных параллельно друг другу вращающихся в одну сторону барабанов, состоящих из валов с

Рис. 6. Схема проведения опытов по определению эффективности работы сепарирующего устройства: 1 и 2 - вращающиеся барабаны с сепарирующим покрытием из гибких нитей переменного сечения; А - расстояние между осями вращения баранов; п1 и п2 - соответственно число оборотов первого и второго барабанов; Л и I - соответственно вертикальная и горизонтальная координаты точки сброса клубней и комков на сепарирующее покрытие барабана

Нива Поволжья № 2 (11) май 2009 35

закрепленными на них гибкими нитями переменного сечения. При вращении барабанов под действием центробежной силы нити приходят в напряженное состояние. Смесь корнеклубнеплодов и примесей поступает на первый барабан и проходит под прижимным устройством.

Примеси, имеющие большую плотность, погружаются глубже в слой нитей, за счет большой шероховатости лучше там удерживаются и при повороте первого барабана выходят в приемник примесей. Корнеклубнеплоды (в данном случае клубни картофеля), имея меньшую плотность и шероховатость поверхности, мельче погружаются в поверхность первого барабана, проходят под прижимным роликом, переходят на второй барабан и попадают в приемник клубней.

Лабораторные исследования проводились в соответствии со схемой, показанной на рис. 6.

Эффективность разделения оценивалась по формуле

Е = 1 - (б п + б к / О, где б п и б к - соответственно доли ошибочно отделенных примесей и клубней от их общего количества, в % (шт.);

^ - исходная засоренность вороха - отношение количества примесей к количеству клубней.

Клубни картофеля и почвенные комки, имеющие характеристики, приведенные в таблице, подавались поштучно в сепарирующее устройство.

При А = 395 мм; п 1 = 600 об/мин; п 2 = 540 об/мин; И = 100 - 300 мм; I = 30 - 60 мм показатель эффективности разделения достигал 90 - 100 %.

В плане дальнейших исследований предусмотрена оптимизация геометрических и кинематических параметров устройства, а также определения качества его работы в зависимости от производительности при однослойной подаче смеси на разделение.

Выводы

1. Повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса разделения компонентов в блокированном псевдоожи-женном слое возможно путем повышения частоты вращения и снижения расхода воздушного потока, подаваемого в рабочую полость барабана сепарирующего устройства.

2. С повышением частоты вращения барабана более 30,8 об/мин процесс разделения осуществляется в основном за счет разницы в фрикционных свойствах компонентов.

3. При достижении частоты вращения барабана около 50 об/мин гибкие нити переменного сечения приходят в напряженное состояние за счет центробежной силы; подача воздушного потока может быть прекращена, что значительно снижает энергозатраты на технологический процесс.

4. Проверка качества работы сепарирующего устройства при поштучной подаче компонентов показала его высокую эффективность, которая изменялась в пределах 90...100 %.

Литература

1. Зубков, В. Е. Совершенствование процесса сепарации корнеклубнеплодов: монография / Е. В. Зубков. - Луганск: Элтон-2, 2005. - С. 7-8.

2. Проект фирмы Grimme «Erntekulter -Von Grund aufgust» - Zweireiher - Baureihe DR - 1500. - 2005 г.

3. Петров, Г. Д. Картофелеуборочные машины / Г. Д. Петров. - М.: Машиностроение, 1984. - С. 20-32.

4. Зиновьев, Ю. И. Отделение клубней картофеля от почвенных комков и камней / Ю. И. Зиновьев // Вестник с.-х. науки. -1959. - № 11. - С. 21-22.

5. Зубков, В. Е. Исследование процесса отделения клубней картофеля от почвенных комков и камней в блокированном псевдоожиженном слое: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / В. Е. Зубков - М., 1979. -100 с.

6. Зубков, В. Е. Исследование фрикционных свойств блокированного псевдоожи-женного слоя / В. Е. Зубков, А. Н. Брюхо-вецкий // Зб. наук. пр. Луганського ДАУ. -№ 4. - Луганськ, 1999. - С. 136-140.

7. Зубков, В. Е. Оценка эффективности работы щеточного отделителя-очистителя по результатам двухстадийных экспресс-опытов / В. Е. Зубков, В. В. Карпов // Зб. наук. пр. ЛНАУ - Луганськ: ЛНАУ, 2001. -С. 177 - 179.

8. Зубков, В.G. Патент Укра'ши на кори-сну модель 37996. Споаб вщокремлення коренебульбоплодiв вщ домшок / В. G. Зубков. - № u 2008 00171; заявл. 03.01.08; опубл. 25.12.08. - Бюл. № 24.