Обоснование основных параметров машины для удаления коры с плодов тыквы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕХАНИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 631. 361. 72: 635

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ КОРЫ С ПЛОДОВ ТЫКВЫ

М.Н. Шапров, Д.В. Сёмин

ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

Описана машина для очистки и удаления коры плодов тыквы; проанализирована работа щеточного барабана, его основные кинематические параметры, необходимые для качественной очистки плодов тыквы.

В связи с повышением спроса на семена и очищенную мякоть тыквы возникла необходимость механизировать процессы не только возделывания, уборки данной культуры, но и её переработки. Однако в настоящее время операция по удалению коры с плодов тыквы базируется, в основном, на ручном труде из-за отсутствия специального комплекса машин для переработки плодов бахчевых культур.

С целью решения проблемы очистки плодов тыквы от коры, была разработана машина по её удалению. В основу её работы положен механический способ удаления коры с использованием щёточных барабанов.

При взаимодействии щёточного барабана с корой плода можно выделить четыре характерных положения отдельных щёточных элементов (рис. 1). В начале контакта очередного ворса с поверхностью коры плода (положение 1) под действием растягивающей центробежной силы он занимает радиальное положение под некоторым углом рI к вертикальной оси. За счёт крутящего момента, подводимого к щёточному барабану, конец ворса внедряется в поверхность коры. По мере дальнейшего поворота щётки с угловой скоростью (Ощ происходит изгиб прутка и накапливание в нём потенциальной энергии упругой деформации (положение 2), при этом ворс, деформируя кору, скалывает ее, образуя стружку. В конечный момент контакта с корой щёточный элемент находится в изогнутом состоянии (положение 3), затем резко разгибается, отбрасывая снятую стружку коры и вновь занимает радиальное положение (положение 4).

Благодаря тому, что в своём свободном движении ворс не остаётся прямолинейным и деформируется, а также имеет колебательное движение, положения крайней точки ворса с 1 по 3 участки траектории являются искажёнными вследствие изменения радиуса щёточного барабана, описываемых приведёнными ниже уравнениями с некоторым приближением.

ь

Рис. 1. Взаимодействие щёточного элемента с поверхностью коры плода тыквы

Для полного анализа работы щёточных барабанов необходимо учитывать основные кинематические параметры, определяющие качество работы машины для удаления коры с плодов тыквы, к которым относятся траектории, скорости и ускорения щёточных элементов.

Поскольку работа щёток происходит относительно движения плода вокруг собственной оси, то концы упругих щёточных элементов (и их другие точки) по отношению к поверхности плода имеют сложное движение.

Процесс работы щёток характеризуется положением оси вращения в пространстве и направлением вращения по отношению к поступательному движению плода тыквы.

Если в процессе работы лезвие щётки начинает отрезать стружку с поверхности плода, то её вращение называют прямым. Если щётка отрезает стружку, двигаясь от дна борозды к поверхности плода, то такое её вращение называют обратным.

Траекторией движения двух последовательно работающих щёточных элементов и направлением вращения щёточного барабана (направлением вращения плода) определяются размеры и форма срезаемой стружки коры тыквы, что может указать на наиболее целесообразный способ удаления коры с точки зрения энергетических затрат.

При отрезании стружки сверху вниз, то есть от поверхности (рис. 2, а), сечение её уменьшается от максимума до нуля. В этом случае усилие, создаваемое со стороны ворса, прикладывается к коре. При обратном вращении (рис. 2 б) сечение стружки увеличивается от нуля до максимума, а отрезание будет происходить снизу вверх. Усилие ворса будет прикладываться к подкорковой мякоти. При этом нужно заметить, что в первом случае наблюдается деформация сжатия, а во втором случае - деформация скалывания.

Рис. 2. Траектория движения точек щёточного элемента: а) при прямом вращении; б) при обратном вращении

Для рассмотрения прямого и обратного вращений щёточных барабанов координатные оси поместили в центре щёточного барабана и составили схемы для написания уравнений траекторий движения концов щёточных элементов. Исходным приняли горизонтальное положение щёточного элемента, совпадающее с осью х (рис. 2 а, б).

Из схемы (рис. 1, а) для прямого вращения щёточного барабана получили уравнения траектории движения:

Х = + У = -К^та)Щ^

где ущ - окружная скорость плода, м/с; Г - время поворота плода, с; Ищ- радиус щёточного барабана, м; сощ - угловая скорость щёточного элемента с-1.

Нужно учесть, что

®пл ^пл ’

где сопл - угловая скорость плода, с-1; Кпл - радиус плода, м.

Получаем формулу:

* = -К, • * + кщ ■ С08ЙУ; У = .

Из полученных уравнений видно, что траектория движения щёточного элемента представляет собой циклоиду.

Абсолютная скорость крайней точки щёточного элемента, принимая

теоретическии кинематическии определяться выражением:

П ^Щ ^Щ ^Щ

параметр Л = —- = —-——

V,,, • Я,

будет

ПЛ ПЛ

V = .

' <3(х)^ 2 (

1^(0, 1 { <*(0 J

— <-|1 +

пл пл

со,,

■в.,,, Л

V ^пл ^ пл у

-2

со,,

V ®пл ^ пл у

^1 + Л2

- 2 ■ Л ■ этсо,,, •?.

Из схемы (рис. 2, б) для обратного вращения щёточного барабана получили:

х = ®пп-Кпп-1 + Кщ-™$сои{- у = 11щ-ът(0щ1.

Находим абсолютную скорость крайней точки щёточного элемента:

сЦх) )2 , ( ад У _ \(сі(апл-11пл-1 + Пщ- сое (ощ- О У (<3(КЩ • єіп оащ-і)

сі{ О

сі{ О

<*(0

<*(0

-^пл •^пліД +

У®ил ‘ ^пл У

-2

\®пл ' К-пл у

■8ІП (Ощ -І =Ущ^\ + 12 -2-&-ЙО.(Ощ •?.

Сравнивая абсолютные скорости для двух вращений, нетрудно заметить, что полученные выражения аналогичны.

При этом путь, пройденный плодом за один оборот щёточного барабана,

равен:

2-я-К,

/I

Шаг ворса или подача на один щёточный элемент будет определяться как расстояние между одинаковыми точками двух циклоид, описанных одноимёнными точками соседних щёточных элементов. Так как в процессе работы слой коры удаляется за несколько ударов щёточных элементов, то общее количество щёточных элементов будет определяться по формуле:

^що ^щ ^ ’

где 2Щ - теоретическое количество щёточных элементов, шт; п - количество ударов, необходимых для удаления коры заданной толщины, шт.

Зная число щёточных элементов гщо и перемещение плода за время одного оборота щёточного барабана я0, находим значение шага 5 (подача на один щёточный элемент):

Я.

щ •

При работе щёточного барабана поверхность очищенного плода получается гребнистой, что нежелательно с точки зрения потерь съедобной мякоти.

При проектировании щёточного барабана необходимо выбирать такие параметры, которые обеспечили бы минимальную высоту гребней, стремясь к более гладкой очищенной поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Определение суммарного сечения стружки, снимаемой щёточным барабаном

Для определения высоты гребней и угла фс, при котором образуется гребень, воспользуемся уравнениями траекторий движения для прямого и обратного вращений и схемой на рис. 4, откуда получим:

<Рс =

S

2 R

( v V

1 + _ч

V ЫЩ J

где ищ - окружная скорость крайней точки щёточного элемента, м/сек. Высота гребней будет определяться формулой:

с = ±кщ- sm -

2 R,

г V V

1 + -^

V 11 щ J

Знак «плюс» принимают при обратном вращении, «минус» - при прямом вращении щёточного барабана.