УДК 631.316.022.4

В.С. Кунянський, магістр

Днепропетровский государственный аграрный университет

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПНЕВМОСЕПАРАЦИИ ВОРОХА ЯГОДОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

 

Постановка проблемы. Уборка ягод смородины – сложный процесс, состоящий из целого ряда взаимосвязанных операций, которые обычно находятся в следующей последовательности: формирование кроны, внедрение в крону рабочих органов, отделение ягод от веток, улавливание отделившегося вороха, транспортировка вороха, сепарация ягодного вороха, затаривание

На улавливающие устройства комбайнов для уборки черной смородины в результате взаимодействия активатора с ветвями кустарника поступает ворох, имеющий следующие фракции: грозди, ягоды, сухие веточки, молодые побеги, листья, сорняки, семена сорных растений, вредители.

Система сепарации вороха в комбайне для уборки черной смородины должна выделить первые две фракции.

Для разделения вороха на фракции используют различия размеров, массы, формы, состояния поверхности, аэродинамические и другие физико-механи-ческие свойства фракций. Но из-за большого количества фракций и отличия одной фракции от другой по разным параметрам, возникает множество комбинаций, то есть может потребоваться многоступенчатая сепарация, что для такого продукта как черная смородина отрицательно скажется на товарном виде ягод.

Анализ схем систем сепараций, показывает, что в ягодоуборочных комбайнах, как правило, более двух ступеней сепарации не применяют, первая из которых – пневмо, вторая – пневмо или механическая, и ворох разделяется только на две части – деловую (ягоды, грозди) и примеси. Пневмосепарация происходит в результате различия аэродинамических свойств – в основном, за счет разности скоростей витания фракций вороха.

Однако, знание значений скоростей витания фракций вороха, не всегда приводит к качественному выполнению процесса пневмосепарации.

Не последнюю роль в процессе пневмосепарации играет и  сама камера, где происходит разделение вороха на фракции. Вопрос определения геометрических параметров камеры пневмосепарации в литературе освещен слабо.

Цель исследований. Определение скорости витания фракций вороха черной смородины.

Основной материал исследований. В аэродинамике принято выражать зависимость аэродинамической силы сопротивления обтеканию тела R от следующих факторов [1]:

                                                                                                (1)

где R – аэродинамическая (лобового сопротивления) сила, Н (кг×м/с2);

      СR – безразмерный коэффициент аэродинамической силы, отражающий влияние явно неучтенных факторов (коэффициент лобового сопротивления);

      SМ – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока (миделево сечение), м2;

     В – плотность воздуха, равная 1,2 кг/м3 при температуре 200С, атмосферном давлении 103 кПа, относительной влажности 50%;

    UВП – скорость воздушного потока, м/с;

     - скоростной напор, кг/(м×с2).

В зависимости от направления воздушного потока возникает сила лобового сопротивления, направленная навстречу потоку, и подъемная сила – перпендикулярно к потоку. В  вертикальном  потоке, если приравнять силу лобового сопротивления R частицы к ее весу mg, можно получить условие витания:

                                                            .                                                         (2)

Сопоставив выражения (1) и (2) получим:

                                                 ,                                         (3)

откуда скорость витания равна:

                                                                                                     (4)

Однако, определенная по (4) скорость витания фракций вороха имеет существенное отличие от скорости витания определенной практическим путем:

                                                            ,                                              (5)

где  и  - граничные значения скоростей витания фракций вороха, м/с.

Это обуславливается тем, что скорость витания непостоянна, фракции вороха, находящиеся в воздушном вертикальном  потоке постоянно колеблются, так как центр тяжести и центр давления не совпадают. Кроме того, воздушный поток имеет пульсацию, негативную характеристику при работе вентилятора. И, как следствие всего этого, постоянно меняется миделево сечение. Более точно – теоретически, можно определить скорость витания если использовать коэффициент сопротивления К, учитывающий форму фракции вороха и свойства воздушного потока [2].

Если принять условно, что ягода черной смородины имеет форму сферы, то ее скорость витания определится по формуле, взятой из [2] и уточненной автором (определение безразмерных коэффициентов) при нахождении физико-механических свойств фракций вороха [3]:

                                                                                         (6)

где UЯ – скорость витания ягоды, м/с;

      КЯ – безразмерный коэффициент, зависящий от размерно-массовых показателей ягоды, равный 5,9…7,9;

      dЯ – диаметр ягоды, м;

      mЯ – масса ягоды, кг;

      КСФ – коэффициент сопротивления фракции (ягоды), имеющей форму сферы, равный 0,47 м4/(с2×кг).

Скорость витания молодых побегов, стеблей сорняков и сухих веточек определяется по формуле:

                     (7)

где  – скорость витания сухих веточек, стеблей сорняков и молодых побегов, м/с;

         – безразмерный коэффициент, зависящий от размерно-массовых показателей сухих веточек, стеблей сорняков и молодых побегов, равный КСВ = 2,4…2,6; КСС = 1,8…2,9; КМП = 2,1…2,4;

        – условный диаметр сухих веточек, стеблей сорняков и молодых побегов, м;

        – масса сухих веточек, стеблей сорняков и побегов, кг;

       КЦ – коэффициент сопротивления фракции (сухая веточка, стебель сорняка и молодой побег), условно принятой по форме за цилиндр, равный 1,2 м4/(с2×кг).

Условный диаметр сухой веточки, стебля сорняка и молодого побега определяется по формуле:

                         (8)

 где  – условный диаметр сухой веточки, стебля сорняка и мо  лодого побега, м;

         – средняя длина сухой веточки, стебля сорняка и молодого побега, м;

         dСР(СВ, СС, МП) – средний диаметр сухой веточки, стебля сорняка и молодого побега, м.

Значение КЦ=1,2 справедливо для цилиндра при условии:

                                                                                                (9)

когда образующая цилиндра направлена параллельно потоку воздуха [4].

Скорость витания листьев смородины определяется по формуле:

                                                                                         (10)

где UЛ – скорость витания листа, м/с;

      КЛ – безразмерный коэффициент, зависящий от размерно-массовых показателей листа, равный 50,0…69,0;

      mЛ – масса листа, кг;

      SЛ – площадь поверхности листа, м2;

      KПП – коэффициент сопротивления фракции (листа), условно принятой за тонкую пластину прямоугольной формы, равный   0,1 м4/(с2×кг).

Для фракций вороха, имеющих отличающуюся от сферы форму, у которых траектория движения является пространственной кривой, Нелюбов А.И. и Ветров А.Ф. предлагают следующую формулу [5]:

                                                                                  (11)

где UФ – скорость витания фракции вороха, отличающейся по форме от сферы , м/с;

        – плотность фракции вороха, кг/м3;

        – величина фракции вороха, имеющая размерность длины, м;

        КФ – коэффициент сопротивления фракций вороха, м4/(с2×кг).

Плотность фракции вороха смородины при использовании (11) определяется по следующей формуле:

                                                                                                                (12)

где  – плотность фракции вороха, кг/м3;

       mФ – масса фракции вороха, кг;

       wФ – объем фракции вороха, м3.

Объем фракций вороха смородины определяется по следующим формулам, например:

,                    (13)

где w СВ, СС, МП – объем сухих веточек, стеблей сорняков, побегов, м3;

       dУ (СВ, СС, МП) – условный диаметр сухих веточек, стеблей сорняков, молодых побегов, определяется по формуле (8), м;

       ℓ СВ, СС, МП – длина сухих веточек, стеблей сорняков, побегов, м.

                                                            ,                                       (14)

где wЛ – объем листа, м3;

      SЛ – площадь листа, м2;

       tл – толщина листа, м.

В связи с затруднением процесса сепарации из-за смачивания листьев соком поврежденных ягод, а также многослойности вороха при большой урожайности, необходима трехстадийная технология сепарации вороха, состоящая из предварительной сепарации, подготовки вороха  к основной сепарации и основной сепарации.

На основании исследований размерно-массовых характеристик уточнены уравнения для определения скорости витания фракций с учетом постоянного изменения площади их миделевого сечения в воздушном потоке.

Литература

1.     Аржанников Н.С., Мальцев В.Н. Аэродинамика.– М.: Оборонгиз, 1956,  – 483с.

2.     Маркин Ю.П. Попов В.И. Аэродинамические характеристики элемен-тов виноградного вороха // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. – 1978. – №8.

3.     Молодик М.С. Визначення деяких фізико-механічних властивостей і розмірно-масових характеристик фракцій вороху смородини //Праці/ Таврійсь-ка державна агротехнічна академія,–Вип.14–Мелітополь: ТДАТА, 2003.–184 с.

4.     Дейли Дж.,  Хармен Д. Механика жидкости – М.: Энергия, 1971. – 235с.

5.     Нелюбов А.И., Ветров Е.Ф. Пневмосепарирующие системы сельскохо-зяйственных машин. – М.: Машиностроение, 1977. – 192с.