• Агроинженерия и пищевые технологии
• Научные исследования

05.08.2024

Методика и результаты лабораторно-полевых исследований сепарирующей системы машины для уборки сахарной свеклы

Сахарная свекла имеет большое народно-хозяйственное значение. Это одна из немногих технических культур, которая полностью идет на переработку. В процессе свеклосахарного производства из перерабатываемых корнеплодов образуются большие объемы побочных продуктов и отходов, которые являются ценным сырьем для многих отраслей легкой промышленности. Велика и кормовая ценность сахарной свеклы. Известны высокие кормовые качества свекловичной ботвы, жома, мелассы.

Повышения урожайности и сахаристости сахарной свеклы можно достичь за счет: размещения ее в благоприятных регионах возделывания; повышения качества посевного материала и сортосмены, применения энергоресурсосберегающих технологий, высокопроизводительных машин, применения влаго- и гумусосберегающих способов обработки почвы и новых агроприемов, высокоэффективных удобрений и способов их внесения, а также экономичных систем орошения.

Немаловажную роль в увеличении урожайности свеклы играют сроки и полнота уборки. Уборку корнеплодов большинство хозяйств начинают в I–II декаде сентября, длительность уборочного процесса составляет от 15 до 45 дней, поэтому без учета влияния временных критериев практически невозможно внедрение новых научно обоснованных конструктивно-технологических решений.

Технологический процесс уборки корнеплодов предполагает использование очистительных устройств сепарации различного исполнения в зависимости от физико-механических и размерно-массовых характеристик товарной продукции. Однако известные очистительные устройства сепарации обеспечивают технологический процесс работы в условиях оптимальной влажности при уборке W = 18–22%, при повышении данного показателя до 25–27% рабочая поверхность сепарирующих устройств обволакивается почвенным слоем и технологический процесс работы ухудшается или прекращается. В связи с этим необходимо обеспечить, чтобы устройства сепарации совместно с интенсификаторами сочетали положительные аспекты отрицательного антропогенного воздействия на окружающую среду, что позволит выполнять технологический процесс очистки товарной продукции в условиях повышенной влажности почвы.

Цель исследований — обоснование возможности применения сепарирующей системы с интенсификацией обдува рабочей поверхности теплотой отработавших газов на уборке корнеплодов сахарной свеклы при обеспечении качественной сепарации товарной продукции от почвенно-растительных примесей.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные исследования разработанной в агроинженерном центре ВИМ сепарирующей системы с интенсификацией обдува рабочей поверхности теплотой отработавших газов, смонтированной на свеклоуборочном комбайне Holmer Terra Dos T3 (HOLMER Maschinenbau GmbH, Германия), выполнялись в Пензенской области на производственной площадке ООО «Красная Горка» в 2022 году в осенний период (сентябрь — ноябрь) на уборке сахарной свеклы сорта Петровский в соответствии со СТО АИСТ 8.7-2013.

Качество работы сепарирующей системы свеклоуборочного комбайна оценивалось по величине повреждений и полноте сепарации корнеплодов сахарной свеклы от механических примесей.

Методика проведения исследований осуществлялась при различных соотношениях тепловой подачи воздуха. Требуемую влажность почвы при проведении экспериментальных исследований обеспечивали гидравлическим воздействием на почву неньютоновской жидкости на всей площади учетной делянки (длина 100 м) до фиксируемого значения необходимого соответствия интервалу в абсолютных значениях W = 25–27%.

Далее прогревали двигатель самоходного комбайна Holmer Terra Dos T3 (Holmer Maschinenbau GmbH, Германия) до рабочей температуры 90 °С с последовательным включением функционирующих элементов — от приемно-подкапывающей части до последних ступеней очистки комбайна — с установленными значениями технологических параметров: частоты вращения сепарирующей звезды в соответствии с планом проведения эксперимента при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Подачу сепарируемой массы сахарной свеклы (4–6 кг/с) регулировали, изменяя рабочую скорость комбайна в пределах 5–9 км/ч (табл. 1).

При проведении экспериментальных исследований определяли влияние частоты вращения сепарирующей звезды и расстояния между сепарирующей звездой и дефлектором на полноту сепарации корнеплодов сахарной свеклы.

Перед проведением операции извлечения корнеплодов сахарной свеклы выполнялась оценка влажности почвенного слоя на глубине залегания корнеплодов с использованием влагомера для почвы — модель 46908 (TR di Turoni & c. Snc., Италия), общий вид которого представлен на рисунке 1.

Определению влажности почвы предшествовало выполнение работ по градуировке прибора согласно следующей последовательности действий, а именно: выбор места определения влажности почвы с последующим заглублением не более 15 см и выполнением процесса прессования почвы в радиусе не более 30 см для повышения электропроводимости почвы. Определение показателей качества работы разработанной сепарирующей системы выполнялось при предварительном извлечении корнеплодов сахарной свеклы из почвы для определения их размерно-массовых характеристик, а также характеристик почвы, агрофон которой соответствовал профилированной поверхности прямоугольной формы среднесуглинистого чернозема.

Обработка экспериментальных исследований выполнялась методами математической обработки и статистического анализа результатов исследований, многофакторного анализа, применением лицензионных математических программных пакетов для ПЭВМ Microsoft Excel, Statistica 6.0 и Math CAD 2011 (США).

Результаты и обсуждения

На рисунках 1, 2, представлены разработанная сепарирующая система, смонтированная на свеклоуборочном комбайне Holmer Terra Dos T3, и ее общий вид.

Выбор требуемого значения исследуемого параметра разрабатываемой сепарирующей системы определялся при проведении лабораторных исследований с соблюдением условий неизменности постоянного значения других параметров очистительного устройства.

Проведению лабораторно-полевых исследований предшествовало формирование равномерных технологических параметров на установившемся режиме работы сепарирующей системы с обдувом рабочей поверхности отработавших газов силовой установки свеклоуборочного комбайна.

Частота вращения  очистительной звезды (рис. 3) изменялась в пределах от 15,0  до 25,0 с интервалом варьирования 5,0  с варьированием расстояния  между сепарирующей звездой и дефлектором. Оценка качества работы экспериментальной сепарирующей системы выполнялась при безостановочном движении комбайна для уборки сахарной свеклы с последующим сбором массы почвенных примесей с поверхности брезента, расположенного под рабочим органом очистки.

При этом определялся фракционный состав вороха, в котором учитывались корнеплоды, свободная почва и почва, связанная с корнеплодами. Проведение исследований комбайна для уборки сахарной свеклы в условиях повышенной влажности почвы выполнялось при синхронизации взаимосвязанных устройств разработанной сепарирующей системы, обеспечивающих распределение тепловых потоков по рабочей поверхности очистительной звезды. Определение величины максимальной полноты сепарации выполнялось в установленном интервале значений от 100 до 160 мм с шагом варьирования 30 мм расстояния  между сепарирующей звездой и дефлектором на качество сепарации корнеплодов сахарной свеклы.

Результаты полученных исследований представлены в виде графической зависимости (рис. 3), отражающей закономерность изменения полноты сепарации νс, % от частоты вращения  при постоянном значении расстояния.

Корреляционная связь между качественными показателями технологического процесса работы машины для уборки сахарной свеклы, оснащенной разработанной сепарирующей системой, выражается уравнением параболических функций (1):

Анализ графической зависимости, представленной на рисунке 4, свидетельствует о том, что изменение частоты вращения сепарирующей звезды в сторону увеличения приводит к снижению полноты сепарации в среднем на 1,6% в диапазоне от 96,8 до 95,2% и соизмеримому повышению при кратном увеличении исследуемого технологического показателя.

Подтверждение наличия корреляционной связи между исследуемым параметром качества очистки и технологическим параметром сепарирующего устройства выполнимо при вычислении коэффициента парной корреляции исследуемых факторов согласно известному выражению (2):

где x, y исследуемые факторы разрабатываемой сепарирующей системы

с теплотой отработавших газов, частота вращения очистительной звезды

и расстояние между сепарирующей звездой и дефлектором соответственно.

Статистическая значимость коэффициента корреляции определена для уровней значимости α = 0,05 и α = 0,01 и референсных значений 2,17 и 3,02 соответственно. Эмпирическое значение для критерия Стьюдента t_э составляет 2,78. Результаты расчетов свидетельствуют о значимости коэффициента парной корреляции полноты сепарации корнеплодов сахарной свеклы от частоты вращения очистительной звезды, t_0,01 > tr > t_0,05, исходя из значений 3,02 > 2,78 > 2,17.

Графическая зависимость варьирования полноты сепарации при изменении расстояния S_д между сепарирующей звездой и дефлектором отражена на рисунке 4.

Варьирование полноты сепарации от 96,2 до 96,8% при увеличении расстояния S_д  между сепарирующей звездой и дефлектором от минимального до максимального значений 100 и 160 мм, соответственно, обусловлено процессами подсыхания почвенных примесей на поверхности прутков очистительной звезды от теплоты отработавших газов силовой установки.

Зависимость изменения показателей качества очистки корнеплодов сахарной свеклы при установившейся частоте вращения сепарирующей звезды при n_Сп 20 мин¹ и варьировании расстояния S_д  между сепарирующей звездой и дефлектором определяется эмпирической зависимостью выражения (3).

Оценка достоверности полученных экспериментальных исследований полноты сепарации ν_с, % корнеплодов сахарной свеклы от расстояния S_д  между сепарирующей звездой и дефлектором и частоты вращения n_Сп очистительной звезды определена коэффициентом парной корреляции, используя эмпирическое значение коэффициента Стьюдента по выражению (2).

Исходя из условий эксперимента и совпадающим с предыдущими вычислениями количеством степеней свободы, референсное значение коэффициента Стьюдента меняться не будет. Однако в связи с изменением одной из переменных эмпирическое значение коэффициента Стьюдента изменилось и составляет 2,29. Исходя из сравнения с критическими значениями коэффициента t_0,01 > tr > t_0,05 (или количественно 3,02 > 2,29 > 2,17), можно отметить, что гипотеза подтверждается, и сделать вывод о статистической значимости коэффициента корреляции.

Результаты проведенных экспериментальных исследований свеклоуборочного комбайна с разработанной сепарирующей системой при интенсификации процесса очистки теплотой отработавших газов свидетельствуют о том, что полнота сепарации корнеплодов в диапазоне 97,0–97,2% обеспечивается при частоте вращения  очистительной звезды 20–22 ми и расстоянием S_д между сепарирующей звездой и дефлектором 130–142 мм.

Разработка, проектирование и эксплуатация сепарирующих устройств сельскохозяйственной продукции, в том числе и корнеплодов сахарной свеклы, определяются достоверностью результатов, полученных при проведении теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию режимов работы.

Следовательно, для определения закономерности изменения полноты сепарации экспериментальной сепарирующей системы свеклоуборочного комбайна выполняется построение статистического ряда варьирования искомой полноты сепарации ( v_c, %), представленное выражением (4).

где X₀ …. X₁₉ значения полноты сепарации, %.

Величина вероятности снижения сепарации( v_c, %) определяется по известной зависимости (5).

Среднее значение полноты сепарации ( v, %), определяется выражением (6).

где: X_j — j-е значение полноты сепарации, %; N — количество значений полноты сепарации, шт.

Среднеквадратическое отклонение полноты сепарации ( v_c, %) определено по выражению (7).

Коэффициент вариации полноты сепарации ( v, %) определяется частным от деления среднеквадратического отклонения полноты сепарации (7) на значение разницы между средним значением полноты сепарации (6) и величиной вероятности снижения сепарации (5) и представлен в выражении (8).

Дифференциальная функция нормального закона распределения определяется по выражениям (9) и (10).

где Q — среднеквадратическое отклонение полноты сепарации, %.

Для выбора закона распределения используется критерий Пирсона X², числовые значения которого представлены выражениями (11) и (12).

где m_i — наблюдаемая частота попадания исследуемой полноты сепарации в каждый из выбранных интервалов.

Определены границы доверительного интервала (L, U), внутри которого лежит с доверительной вероятностью (100 x (1-a) = 95%) дисперсия нормальной случайной величины, исходя из объема выборки N = 20.

где α — это вероятность ошибки первого рода.

Определена закономерность изменения полноты сепарации экспериментальной сепарирующей системы свеклоуборочного комбайна построением статистического ряда в диапазоне 97,0–97,2% при частоте вращения n_cП очистительной звезды 20–22 мин¹ и расстоянием S_д между сепарирующей звездой и дефлектором 130–142 мм, выполнено определение коэффициента вариации полноты сепарации при значении величины однородности 0,971, установлена дифференциальная функция нормального закона распределения полноты сепарации при значении критерия Пирсона 0,137.

Выводы

При проведении экспериментальных исследований разработанной системы очистки с теплотой отработавших газов силовой установки свеклоуборочного комбайна установлено, что изменение частоты вращения сепарирующей звезды в сторону увеличения приводит к снижению полноты сепарации в среднем на 1,6% в диапазоне от 96,8 до 95,2 и соизмеримому повышению при кратном увеличении исследуемого технологического показателя. Определены интервалы варьирования полноты сепарации от 96,2 до 96,8% при увеличении расстояния S_д между сепарирующей звездой и дефлектором от минимального до максимального значений 100 мм и 160 мм соответственно, что обусловлено процессами подсыхания почвенных примесей на поверхности прутков очистительной звезды от теплоты отработавших газов силовой установки.

Об авторах

Алексей Семенович Дорохов; главный научный сотрудник, доктор технических наук, академик РАН

dorokhov@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0002-4758-3843

Алексей Викторович Сибирёв; главный научный сотрудник, доктор технических наук

sibirev2011@yandex.ru; https:orcid.org: 0000-0002-9442-2276

Максим Александрович Мосяков; старший научный сотрудник, кандидат технических наук

Maks.Mosyakov@yandex.ru; https:orcid.org: 0000-0002-5151-7312

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия

УДК 631.356
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-384-7-154-159