WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Совершенствование технологического процесса и технических средств калибрования клубней картофеля

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

  Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

ВОЛОСЕВИЧ

Петр Николаевич

Совершенствование технологического процесса и технических средств калибрования клубней картофеля

Специальность 05.20.01 – Технологии

и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Мичуринск – наукоград РФ, 2011

Работа выполнена в Федеральных государственных бюджетных образовательных учреждениях высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» и «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова».

Научный консультант -                академик РАСХН, доктор технических наук, профессор

Завражнов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, профессор

Горшенин Василий Иванович,

                                                 доктор технических наук, профессор

Ларюшин Николай Петрович,

                                                 доктор технических наук, профессор

Тарасенко Александр Павлович

Ведущая организация – Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарская ГСХА

Защита диссертации состоится 15 декабря 2011 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, корп. 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан __________ 2011 года и размещен на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент                                               Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производство картофеля является одной из важнейших составляющих продовольственной безопасности Российской федерации. Самый высокий уровень отечественного производства, гарантирующего продовольственную безопасность России, отводится зерну и картофелю. Доля собственного производства картофеля должна составлять не менее 95% общей потребности.

Повышенное внимание к производству одной из важнейших продовольственных культур  - картофелю, который возделывается более чем в 140 странах, отмечается в мировом производстве. В связи с постоянно возрастающей значимостью этой культуры для человечества Генеральная ассамблея ООН объявила 2008 год «Годом картофеля».

Краткий анализ уровня производства картофеля в Российской Федерации и его сопоставление со странами ЕС показывает, что в России валовый сбор составляет 37 млн.т. при возделывании его на площади около       3 млн.га, т.е. при средней урожайности 12,3 т/га.

В то же время в странах ЕС урожайность в 2,7 раза выше, чем в России и составляет 33,5 т/га, а валовый сбор с 2 млн.га составляет 67 млн.т.

Такая значительная разница в результатах производства картофеля между Россией и странами ЕС объясняется несколькими причинами.

Во-первых, в России 90% картофеля производится в личных подсобных (ЛПХ) и мелких крестьянско-фермерских  хозяйствах (КФХ) на участках площадью, в среднем, не превышающей 2 га. На таких участках применяются простейшие технологии с низким уровнем механизации.

Низкая урожайность мелкотоварного производства объясняется тем, что в этих условиях нет возможности применять высококачественный посадочный материал не только по биологическому признаку, но и из-за низкого качества предпосадочной калибровки клубней по размерам, что оказывает существенное влияние на качество работы посадочных машин.

При жестком диапазоне регулировок вычерпывающих аппаратов картофелепосадочных машин в зависимости от размеров высаживаемых клубней, требования к качеству предпосадочной калибровке клубней имеют очень большое значение, т.к. от выровненности посадочного материала зависит качество работы сажалок и, как следствие – урожайность.

Точность калибрования клубней необходима не только для семенного картофеля, но и для продовольственного.

Отечественные картофелесортировальные машины по качеству разделения клубней на размерные фракции не выполняют требований новых стандартов России, приведенных в соответствие с аналогичными стандартами ЕС, ни по семенному, ни по продовольственному картофелю.

В связи с вышеизложенным проблема повышения точности разделения клубней на размерные фракции является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с планом по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского региона на 20 лет до 2010 года» /№ гос.регистрации 840005200/, комплексной темой НИР Саратовского ГАУ имени Н.И.Вавилова раздел 4.2 «Совершенствование технологических процессов и технических средств сепарации и послеуборочной обработки корнеклубнеплодов» и Мичуринского ГАУ «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» /№ гос.регистрации 01201151795/ тема: «Разработка сельскохозяйственных машин, орудий и мобильной техники».

Цель работы – повышение эффективности технологического процесса сортирования клубней картофеля на размерные фракции путем создания новых калибрующих поверхностей.

Объект исследований – технологический процесс картофелесортировальных машин.

Предмет исследований – закономерности функционирования рабочих органов, параметры технологических схем и калибрующих поверхностей картофелесортировальных машин.

Методы исследований – включали теоретический анализ процесса калибрования клубней картофеля с использованием законов классической механики и математического анализа; оптимизацию параметров и режимов работы картофелесортировок методами регрессионного анализа с оценкой достоверности результатов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик, приборов и оборудования, с обработкой результатов на П.К.

Научная новизна работы:

- предложена новая математически обоснованная форма калибрующих отверстий для формирования рабочего поля решет картофелесортировальных машин;

- теоретическая модель процесса взаимодействия клубней картофеля различных форм с новыми решетными поверхностями;

- математическая модель технологического процесса калибрования клубней картофеля на машинах грохотного типа с новыми решетными поверхностями;

- оптимальные параметры и режимы работы грохотных картофелесортировальных машин с новыми рабочими органами.

Практическая значимость. Совокупность выполненных исследований и теоретических обобщений позволили разработать технические средства в составе картофелесортировальных машин, повышающих точность разделения клубней на размерные фракции в сочетании с высоким коэффициентом пропускной способности, обеспечивающим высокую производительность.

Разработанные в диссертации технические решения защищены 3 патентами Российской Федерации (№40836, №2319332, №103268) на способ калибрования и рабочие органы картофелесортировальных машин, которые могут быть использованы для разработки новых и модернизации существующих машин.

Использование новых решетных поверхностей позволяет в 2,3-3 раза снизить погрешность точности калибрования, что обеспечивает более четкую работу картофелепосадочных машин, снижает количество пропусков и сдвоенных посадок, в результате чего увеличивается урожайность и снижается расход дорогостоящих посадочных клубней.

Реализация результатов исследований.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации «Совершенствование технологического процесса калибрования клубней картофеля» одобренные и изданные Россельхозакадемией.

Предложения по практической реализации разработок, представленных в диссертации, рекомендованы к использованию Департаментом науки и технической политики МСХ РФ.

Разработанные технические средства для калибрования клубней картофеля используются в ряде хозяйств Саратовской и Тамбовской областей.

Две картофелесортировальные машины, разработанные на основании исследований, изготовлены УНПЦ «Волгоагротехника» при Саратовском государственном агроинженерном университете и переданы в специализированные картофелеводческие хозяйства.

Результаты исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в Саратовском ГАУ им. Н.И.Вавилова, Мичуринском ГАУ, Пензенской и Самарской ГСХА.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях профессрско-преподавательского состава Саратовского агроинженерного университета (1995-1998 г.г.), Саратовского аграрного университета им. Н.И.Вавилова (1999-2009 г.г.), на международных научно-практических конференциях: Вавиловские чтения» (Саратов, 2004-2006 г.г.), посвященной 70-летию Московского агроинженерного университета им. В.П.Горячкина (Москва, 2000 г), Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (Москва, ВИМ, 2000 г), «Ульяновские чтения» (Саратов, 2005 г.), Агроинженерный комплекс: состояние, проблемы, перспективы (Пенза – Нейбрандербург, 2005 г.), Современные проблемы механизации сельскохозяйственного производства (Махачкала, 2006 г.), посвященной 75-летию со дня рождения проф. В.Г.Кобы (Саратов, 2006 г.), посвященной 100-летию со дня рождения проф. В.В.Красникова (Саратов, 2008 г.), посвященной 70-летию со дня рождения В.Ф.Дубинина (Саратов, 2010 г.), в Мичуринском государственном аграрном университете (Мичуринск, 2011 г.).

Результаты исследований и конструкторские разработки экспонировались на Всероссийской выставке «60 лет машиноиспытанию (2008 г.) и докладывались на научно-техническом совете ФГУ «Поволжская государственная зональная машиноиспытательная станция» (п.Усть-Кинельский, Самарская область, 2001, 2008 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 12 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 3 – в описаниях к патентам, остальные в сборниках научных работ и материалах научных конференций. Общий объем публикаций составляет 16,15 п.л., из которых лично соискателю принадлежит 14 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (218 наименований, из которых 11 на иностранных языках) и приложений. Общий объем составляет 294 страницы, содержит 91 рисунок, 21 таблицу, 7 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность работы, цель и задачи исследования, научная новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Проблема совершенствования технологического процесса калибрования клубней картофеля и постановка задач исследования» рассмотрены наиболее распространенные в отечественной и мировой практике технологии и технические средства послеуборочной обработки картофеля, комплексы и номенклатура машин для их осуществления.

На современном этапе развития картофелесортировальной техники в ведущих по производству картофеля странах Европы на картофелесортировальных машинах применяются калибрующие поверхности с отверстиями квадратной или прямоугольной формы.

Рабочие органы с такой формой отверстий выпускаются либо в виде транспортеров, либо в виде решет для машин грохотного типа.

Машины транспортерного типа получили наибольшее распространение в ФРГ и Англии. Машиностроительные фирмы Франции, Нидерландов, Польши и Швейцарии отдают предпочтение картофелесортировальным машинам грохотного типа, на которых применяются решета с квадратными отверстиями.

Эти машины калибруют клубни на 2-4 фракции и имеют по 12 сменных решет в зависимости от фракционного состава исходного вороха с квадратными калибрующими отверстиями различного размера с шагом отверстий от 2,5 до 5,0 мм.

Варианты компоновки решетных станов и их привод в возвратно-поступательное движение осуществляется по типовым схемам аналогичным отечественным картофелесортировальным машинам.

Большое распространение в зарубежной практике калибрующих поверхностей с квадратными отверстиями, имеющими довольно низкие возможности по точности калибрования, можно объяснить только одним обстоятельством. В большинстве стран Евросоюза картофель возделывается на легких дерново-подзолистых почвах, на которых клубни получаются более выровненными по форме и размерам.

В условиях Российской Федерации, в основных регионах производящих картофель, он возделывается на более тяжелых почвах, в результате чего клубни по форме и размерам получаются менее выровненными, что и ухудшает качество их калибровки на размерные фракции применяемыми картофелесортировальными машинами.

В то же время, большим достоинством плоскорешетных машин с возвратно-поступательным движением рабочего органа является их высокая пропускная способность, а, следовательно, и производительность, при умеренной материалоемкости изготовления. Этот факт объясняется тем, что в результате большого пути относительного перемещения клубней по калибрующей поверхности, в отличие от транспортерных рабочих органов, увеличивается вероятность прохождения клубней в отверстия, что и увеличивает пропускную способность решет и точность калибрования, т.к. в сходах с решета будет минимум клубней, которые должны были пройти проходом.

Еще одним негативным свойством транспортерных рабочих органов картофелесортировальных машин по сравнению с грохотными является более низкая пропускная способность, даже при установке встряхивателей. Кроме того у таких рабочих органов более высокая материалоемкость, т.к. одна из ветвей транспортера в технологическом процессе не  принимает участия.

В последние годы начинают находить практическое применение картофелесортировальные машины с использованием фотоэлектрического эффекта и электроники. В основном электронные сепараторы применяются для отбора некондиционных клубней, почвенных комков, камней.

Эта группа машин дает высокие по качеству работы результаты, но, с другой стороны, эти машины слишком дороги, а главное, требуют комфортных условий эксплуатации и квалифицированного обслуживающего персонала, что в реальных условиях отечественного сельского хозяйства, в обозримом будущем, практически не реально.

Анализ состояния исследований отечественной науки показывает, что одной из первых фундаментальных работ по научно обоснованному подходу к созданию и оценке результатов работы картофелесортировальных машин являются работы академика В.П. Горячкина, в которых главное внимание уделено определению размерно-массовых характеристик клубней и их взаимосвязи как объектов калибрования.

Впервые использование теории вероятностей для теоретического обоснования технологического процесса работы сортировальных решет предложено в фундаментальных работах проф. М.Н. Летошнева.

Дальнейшее совершенствование теории и практики сортирования зерна получило в работах Кожуховского И.Е., Косилова Н.И., Кубышева В.А., Листопада Г.Е., Павловского Г.Т., Ульянова А.Ф. и др. Значительный вклад в развитие этого направления внесла научная школа А.П. Тарасенко.

Дальнейшее развитие теоретическое обоснование, экспериментальные исследования и методы проектирования и создания машин для этапов единого технологического процесса производства картофеля получило в трудах  Верещагина Н.И., Добышева А.С., Колчина Н.Н., Мацепуро Н.Е., Петрова Г.Д., Поздеева А.В., Пшеченкова К.А., Размысловича И.Р., Сорокина А.А., Туболева С.С., Филиппова А.И. и ряда других ученых. Калиброванию плодов посвящены работы Варламова Г.П., Горшенина В.И., Четвертакова А.В., и некоторых других исследователей.

Существенное значение для достижения поставленной цели исследования имеют недавно введенные в Российской Федерации новые стандарты на качество калибрования клубней картофеля, приведенные в соответствие с аналогичными стандартами стран ЕС. На продовольственный картофель новый ГОСТ введен в действие  с 2003 г., на семенной – с 2010 г.

По новым стандартам разделение клубней на размерные фракции должно производиться по «наибольшему диаметру поперечного сечения клубня». Этот размер в хорошо отработанной технологии работы зерноочистительных машин называется шириной калибруемых плодов.

Требования новых стандартов, научный и практический опыт использования машин для сортирования зерна дают основание выдвинуть рабочую гипотезу.

Для получения максимально возможной точности калибрования клубней картофеля необходимо использовать калибрующие поверхности с круглыми отверстиями, которые с другой стороны имеют самый низкий коэффициент пропускной способности из-за значительной площади перемычек между отверстиями.

Это обстоятельство дает возможность сформулировать научную проблему. В рассматриваемом случае проблемность ситуации состоит в том, что для достижения поставленной в диссертации цели требуется разрешить противоречие между точностью калибрования и пропускной способностью калибрующей поверхности.

Формулируя цель и задачи исследований необходимо учесть не только результаты анализа существующего мирового уровня развития картофелесортировальной техники, но и принципы продовольственной безопасности страны и рекомендации отечественных ведущих ученых и практиков в области механизации процессов производства картофеля.

Наиболее четко и сконцентрировано пути решения проблемы модернизации отечественного картофелеводства сформулированы в работе С.С. Туболева и Н.Н. Колчина: «Технологической базой возрождаемой Системы технологий и машин для возделывания, уборки и хранения картофеля должны служить реальный современный комплекс машин. Они должны быть надежными в работе, отвечать разнообразию условий отечественного картофелеводства, достаточно просты в эксплуатации, производиться в России и обеспечивать при нормальных условиях рентабельное производство картофеля. Как правило, подобный комплекс состоит из базовых моделей, на основе которых разрабатываются их модификации и различные сменные узлы и приспособления для различных условий».

В соответствии с целью исследований для решения рассматриваемой проблемы необходимо решить следующие задачи:

    • проанализировать технологические возможности существующих форм калибрующих отверстий рабочих поверхностей картофелесортировальных машин;
    • исследовать геометрические характеристики клубней современных наиболее характерных сортов картофеля, возделываемых в Российской Федерации и дать гипотетическую формализованную характеристику вороха клубней как объекта для калибрования на размерные фракции;
    • разработать форму калибрующих отверстий сочетающих при формировании рабочего поля сортирующей поверхности максимальные точность калибрования и пропускную способность;
    • теоретически исследовать процесс взаимодействия гипотетических клубней с новой сортирующей поверхностью;
    • провести экспериментальные исследования картофелесортировальной машины с новыми рабочими поверхностями;
    • разработать математическую модель процесса сортирования клубней картофеля на картофелесортировальной машине грохотного типа с новыми рабочими поверхностями и оптимизировать параметры и режимы работы устройства;
    • провести производственную проверку разработанных технологических и технических решений и определить их экономическую целесообразность.
      Страницы: | 1 | 2 | 3 |
     





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.