Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів селекційно-насінницького трієра для сепарації насіння дрібнонасіннєвих культур

Abstract

Мета роботи полягає у підвищені ефективності процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур шляхом розробки конструкції селекційно-насінницького трієра у складі мехатронної системи із обґрунтованими конструктивно-технологічними параметрами, що забезпечують задану прецизійність. Об'єкт дослідження – технологічний процес сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на селекційно-насінницькому трієрі у складі мехатронної системи. Предмет досліджень – насіннєвий матеріал дрібнонасіннєвих культур та умови і закономірності протікання технологічного процесу його сепарації за геометричними розмірами. Методи досліджень. Дослідження базувалися на застосуванні чисельного моделювання з використанням основних принципів класичної механіки, газодинаміки, ймовірності, пружності, моделей дискретних елементів, багатофазної взаємодії та лагранжевої багатофазності. Для цього були використані методи диференційного та інтегрального числення. Експериментальні дослідження були проведені з використанням методу математичного планування, натурних спостережень та експертних оцінок, а обробка та аналіз результатів експериментів здійснювалися з використанням теорії ймовірності та кореляційно-регресійного аналізу. Моделювання та обробка результатів досліджень були виконані за допомогою програмних пакетів Simcenter Star-CCM+ та Wolfram Cloud. Отримано аналітичні і експериментальні залежності у вигляді рівнянь регресії другого порядку вмісту домішок в насіннєвій суміші лотка і вмісту насіння основної дрібнонасіннєвої культури (гірчиця, рижій, ріпак) в насіннєвій суміші циліндра від його діаметра, частоти його обертання, тривалості його обертання проти і за годинниковою стрілкою, загальної тривалості обертання, кількості насінин і домішок в насіннєвій суміші, що уможливлює обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів роботи селекційно-насінницького трієра. Розроблено спосіб і алгоритм роботи мехатронної системи керування селекційно-насінницьким трієром, який базується на розпізнаванні траєкторії польоту насіння по відеозображенню і автоматичному встановленні лотка у визначене залежностями положення. Отримано аналітичні залежності зміни кута відхилення центра мас компонента насіннєвої суміші від кута повороту і діаметра циліндра із чарунками селекційно-насінницького трієра, що уможливлює обґрунтування раціональних конструктивно-режимних параметрів його роботи. Отримано аналітичні і експериментальні залежності зміни мінімального і максимального кутів виходу насіння дрібнонасіннєвих культур (гірчиці, рижію, ріпаку) з чарунок циліндра селекційно-насінницького трієра від його діаметра, частоти обертання, кількості насінин і домішок в насіннєвій суміші, що уможливлює обґрунтувати раціональні конструктивно-технологічні параметри його роботи. Удосконалено комплекс прецизійного техніко-технологічного забезпечення процесів сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур шляхом введення селекційно-насінницького трієра у складі мехатронної системи керування. Представлений аналіз прецизійного техніко-технологічного забезпечення процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур за геометричними розмірами дає змогу стверджувати про необхідність удосконалення трієрних сепараторів базуючись на автоматизованому керуванні їх параметрами з використанням фото- або відео-фіксації процесу сепарації насіннєвого матеріалу із подальшою обробкою. Розроблено конструктивно-технологічну схему селекційно- насінницького трієра у складі мехатронної системи. Відмінність запропонованої конструкції від традиційної полягає у фіксації фотокамерою траєкторії польоту насінин та обробці цієї інформації, що в подальшому дозволяє змінювати частоту обертання мотор-редуктора і як наслідок циліндра із чарунками, кут нахилу лотка, кут повороту заслінки із кроковим двигуном бункера-дозатора. Керування режимними параметрами селекційно-насінницького трієра дозволяє підлаштовувати його до зміни складу насіннєвої суміші, що підвищує якість сепарації і зменшує втрати ліквідного насіння. В результаті аналітичних досліджень процесу взаємодії компонентів насіннєвої суміші дрібнонасіннєвих культур із робочим органом селекційно- насінницького трієра отримано залежність куту відхилення центра мас компонента насіннєвої суміші від кута повороту циліндра. Отримана залежність дає змогу визначити мінімальний кут повороту циліндра із чарунками при якому починає обертатися компонент насіннєвої суміші відносно центра мас. Розроблено модель процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на селекційно-насінницькому трієрі в програмному пакеті Simcenter Star- CCM+. В результаті чисельного моделювання процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на селекційно-насінницькому трієрі отримані залежності у вигляді рівнянь регресії другого порядку значень мінімального і максимального кутів виходу насіння з чарунок циліндра від факторів досліджень (діаметр циліндра, частота обертання циліндра, кількість насінин і домішок в насіннєвій суміші). За результатами моделювання отримані залежності у вигляді рівнянь регресії другого порядку кількості всіх компонентів і відносного вмісту домішок ε в насіннєвій суміші, яка знаходилася в межах мінімального і максимального кутів повороту циліндру трієра від факторів досліджень. Вирішуючи компромісну задачу в програмному пакеті Wolfram Cloud, яка зводиться до мінімізації відносного вмісту домішок ε і максимізації кількості всіх компонентів насіннєвої суміші, які знаходилися в межах мінімального і максимального кутів повороту циліндру, отримані раціональні конструктивно-технологічні параметри селекційно-насінницького трієрного сепаратора. В результаті чисельного моделювання процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на селекційно-насінницькому трієрі при змінній частоті обертання отримана динаміка зміни кількісті насінин і домішок Nl і відносного вмісту домішок в насіннєвій суміші лотка. В результаті чисельного моделювання процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на селекційно-насінницькому трієрі при змінній частоті обертання отримані залежності кількості насінин і домішок відносного вмісту домішок в насіннєвій суміші лотка і умовної продуктивності трієра від тривалості обертання циліндру проти годинникової стрілки і за годинниковою стрілкою. Вирішуючи компромісну задачу в програмному пакеті Wolfram Cloud отримано раціональні режимні параметри трієрного сепаратора. В результаті експериментальних досліджень селекційно-насінницького трієра у складі мехатронної системи та обробки отриманих даних були визначені залежності у вигляді рівнянь регресії другого порядку маси насіннєвої суміші в лотку, відносного вмісту домішок в насіннєвій суміші лотка, відносного вмісту насіння основної культури в насіннєвій суміші циліндра від частоти обертання циліндра n, тривалості його обертання проти і за годинниковою стрілкою, тривалості роботи. Вирішуючи компромісну задачу в програмному пакеті Wolfram Cloud отримано раціональні режимні параметри трієрного сепаратора. Порівняння отриманих експериментальних даних з теоретичними показало, що отримані дані практично зійшлися. Це підтверджує статистичний аналіз з отриманими значеннями коефіцієнтів кореляції між теоретичними та експериментальними залежностями. Спираючись на результати теоретичних і експериментальних досліджень розроблено спосіб і алгоритм роботи мехатронної системи керування селекційно- насінницьким трієром, який базується на удосконаленому програмному пакеті TracTrac, що дозволяє розпізнавати траєкторію польоту насіння по відеозображенню. Порівняння базової і удосконаленої (у складі мехатронної системи) конструкцій селекційно-насінницького трієра показало, що удосконалений трієр має більшу потужність 0,83 кВт і меншу продуктивність 123,5 кг/год. Зменшення продуктивності пояснюється зміною напрямку обертання циліндра, але при цьому підвищується ефективність технологічного процесу сепарації насіннєвого матеріалу, оскільки знижується вміст домішок в насіннєвій суміші лотка 0,82 ± 0,17 % і вміст насіння основної культури в насіннєвій суміші циліндра 16,85 ± 2,69 %. У результаті проведення економічної оцінки встановлено, що запропонована удосконалена конструкція селекційно-насінницького трієра у складі мехатронної системи має більші капіталовкладення (до 40 %) і вищі затрати на його амортизацію, ремонт і технічне обслуговування (27 %). Економічний ефект досягається за рахунок зменшення втрат ліквідного насіння в процесі сепарації насіннєвої суміші (35,4 %). Питомий економічний ефект процесу сепарації насіннєвої суміші гірчиці масою 5000 кг складає 12,02 грн/кг, а строк окупності додаткових капіталовкладень складає 1,33 роки. Селекційно-насінницький трієр для сепарації насіння дрібнонасіннєвих олійних культур у складі мехатронної системи впроваджено у виробництво ІОК НААН. ТОВ «Укрнасінняпром» прийняло для впровадження у виробництво науково-методичні рекомендації з налагодження трієрного сепаратора насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур. Результати науково-технічної роботи у вигляді конструкторської та технічної документації селекційно-насінницького трієра впроваджені і використані на виробництві ТОВ НВО «Сортувальні машини» для виготовлення відповідного дослідного зразка. ТОВ «ВНІС ГЕНЕТІКС» отримало рекомендації з налагодження селекційно-насінницького трієра для сепарації, розділення і очищення насіння дрібнонасіннєвих олійних і зернових культур у вигляді відповідних математичних залежностей і конструктивно-технологічних схем. Meta roboty poliahaie u pidvyshcheni efektyvnosti protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur shliakhom rozrobky konstruktsii selektsiino-nasinnytskoho triiera u skladi mekhatronnoi systemy iz obgruntovanymy konstruktyvno-tekhnolohichnymy parametramy, shcho zabezpechuiut zadanu pretsyziinist. Obiekt doslidzhennia – tekhnolohichnyi protses separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na selektsiino-nasinnytskomu triieri u skladi mekhatronnoi systemy. Predmet doslidzhen – nasinnievyi material dribnonasinnievykh kultur ta umovy i zakonomirnosti protikannia tekhnolohichnoho protsesu yoho separatsii za heometrychnymy rozmiramy. Metody doslidzhen. Doslidzhennia bazuvalysia na zastosuvanni chyselnoho modeliuvannia z vykorystanniam osnovnykh pryntsypiv klasychnoi mekhaniky, hazodynamiky, ymovirnosti, pruzhnosti, modelei dyskretnykh elementiv, bahatofaznoi vzaiemodii ta lahranzhevoi bahatofaznosti. Dlia tsoho buly vykorystani metody dyferentsiinoho ta intehralnoho chyslennia. Eksperymentalni doslidzhennia buly provedeni z vykorystanniam metodu matematychnoho planuvannia, naturnykh sposterezhen ta ekspertnykh otsinok, a obrobka ta analiz rezultativ eksperymentiv zdiisniuvalysia z vykorystanniam teorii ymovirnosti ta koreliatsiino-rehresiinoho analizu. Modeliuvannia ta obrobka rezultativ doslidzhen buly vykonani za dopomohoiu prohramnykh paketiv Simcenter Star-CCM+ ta Wolfram Cloud. Otrymano analitychni i eksperymentalni zalezhnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku vmistu domishok v nasinnievii sumishi lotka i vmistu nasinnia osnovnoi dribnonasinnievoi kultury (hirchytsia, ryzhii, ripak) v nasinnievii sumishi tsylindra vid yoho diametra, chastoty yoho obertannia, tryvalosti yoho obertannia proty i za hodynnykovoiu strilkoiu, zahalnoi tryvalosti obertannia, kilkosti nasinyn i domishok v nasinnievii sumishi, shcho umozhlyvliuie obgruntuvannia ratsionalnykh konstruktyvno-tekhnolohichnykh parametriv roboty selektsiino-nasinnytskoho triiera. Rozrobleno sposib i alhorytm roboty mekhatronnoi systemy keruvannia selektsiino-nasinnytskym triierom, yakyi bazuietsia na rozpiznavanni traiektorii polotu nasinnia po videozobrazhenniu i avtomatychnomu vstanovlenni lotka u vyznachene zalezhnostiamy polozhennia. Otrymano analitychni zalezhnosti zminy kuta vidkhylennia tsentra mas komponenta nasinnievoi sumishi vid kuta povorotu i diametra tsylindra iz charunkamy selektsiino-nasinnytskoho triiera, shcho umozhlyvliuie obgruntuvannia ratsionalnykh konstruktyvno-rezhymnykh parametriv yoho roboty. Otrymano analitychni i eksperymentalni zalezhnosti zminy minimalnoho i maksymalnoho kutiv vykhodu nasinnia dribnonasinnievykh kultur (hirchytsi, ryzhiiu, ripaku) z charunok tsylindra selektsiino-nasinnytskoho triiera vid yoho diametra, chastoty obertannia, kilkosti nasinyn i domishok v nasinnievii sumishi, shcho umozhlyvliuie obgruntuvaty ratsionalni konstruktyvno-tekhnolohichni parametry yoho roboty. Udoskonaleno kompleks pretsyziinoho tekhniko-tekhnolohichnoho zabezpechennia protsesiv separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur shliakhom vvedennia selektsiino-nasinnytskoho triiera u skladi mekhatronnoi systemy keruvannia. Predstavlenyi analiz pretsyziinoho tekhniko-tekhnolohichnoho zabezpechennia protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur za heometrychnymy rozmiramy daie zmohu stverdzhuvaty pro neobkhidnist udoskonalennia triiernykh separatoriv bazuiuchys na avtomatyzovanomu keruvanni yikh parametramy z vykorystanniam foto- abo video-fiksatsii protsesu separatsii nasinnievoho materialu iz podalshoiu obrobkoiu. Rozrobleno konstruktyvno-tekhnolohichnu skhemu selektsiino- nasinnytskoho triiera u skladi mekhatronnoi systemy. Vidminnist zaproponovanoi konstruktsii vid tradytsiinoi poliahaie u fiksatsii fotokameroiu traiektorii polotu nasinyn ta obrobtsi tsiiei informatsii, shcho v podalshomu dozvoliaie zminiuvaty chastotu obertannia motor-reduktora i yak naslidok tsylindra iz charunkamy, kut nakhylu lotka, kut povorotu zaslinky iz krokovym dvyhunom bunkera-dozatora. Keruvannia rezhymnymy parametramy selektsiino-nasinnytskoho triiera dozvoliaie pidlashtovuvaty yoho do zminy skladu nasinnievoi sumishi, shcho pidvyshchuie yakist separatsii i zmenshuie vtraty likvidnoho nasinnia. V rezultati analitychnykh doslidzhen protsesu vzaiemodii komponentiv nasinnievoi sumishi dribnonasinnievykh kultur iz robochym orhanom selektsiino- nasinnytskoho triiera otrymano zalezhnist kutu vidkhylennia tsentra mas komponenta nasinnievoi sumishi vid kuta povorotu tsylindra. Otrymana zalezhnist daie zmohu vyznachyty minimalnyi kut povorotu tsylindra iz charunkamy pry yakomu pochynaie obertatysia komponent nasinnievoi sumishi vidnosno tsentra mas. Rozrobleno model protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na selektsiino-nasinnytskomu triieri v prohramnomu paketi Simcenter Star- CCM+. V rezultati chyselnoho modeliuvannia protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na selektsiino-nasinnytskomu triieri otrymani zalezhnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku znachen minimalnoho i maksymalnoho kutiv vykhodu nasinnia z charunok tsylindra vid faktoriv doslidzhen (diametr tsylindra, chastota obertannia tsylindra, kilkist nasinyn i domishok v nasinnievii sumishi). Za rezultatamy modeliuvannia otrymani zalezhnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku kilkosti vsikh komponentiv i vidnosnoho vmistu domishok ε v nasinnievii sumishi, yaka znakhodylasia v mezhakh minimalnoho i maksymalnoho kutiv povorotu tsylindru triiera vid faktoriv doslidzhen. Vyrishuiuchy kompromisnu zadachu v prohramnomu paketi Wolfram Cloud, yaka zvodytsia do minimizatsii vidnosnoho vmistu domishok ε i maksymizatsii kilkosti vsikh komponentiv nasinnievoi sumishi, yaki znakhodylysia v mezhakh minimalnoho i maksymalnoho kutiv povorotu tsylindru, otrymani ratsionalni konstruktyvno-tekhnolohichni parametry selektsiino-nasinnytskoho triiernoho separatora. V rezultati chyselnoho modeliuvannia protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na selektsiino-nasinnytskomu triieri pry zminnii chastoti obertannia otrymana dynamika zminy kilkisti nasinyn i domishok Nl i vidnosnoho vmistu domishok v nasinnievii sumishi lotka. V rezultati chyselnoho modeliuvannia protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na selektsiino-nasinnytskomu triieri pry zminnii chastoti obertannia otrymani zalezhnosti kilkosti nasinyn i domishok vidnosnoho vmistu domishok v nasinnievii sumishi lotka i umovnoi produktyvnosti triiera vid tryvalosti obertannia tsylindru proty hodynnykovoi strilky i za hodynnykovoiu strilkoiu. Vyrishuiuchy kompromisnu zadachu v prohramnomu paketi Wolfram Cloud otrymano ratsionalni rezhymni parametry triiernoho separatora. V rezultati eksperymentalnykh doslidzhen selektsiino-nasinnytskoho triiera u skladi mekhatronnoi systemy ta obrobky otrymanykh danykh buly vyznacheni zalezhnosti u vyhliadi rivnian rehresii druhoho poriadku masy nasinnievoi sumishi v lotku, vidnosnoho vmistu domishok v nasinnievii sumishi lotka, vidnosnoho vmistu nasinnia osnovnoi kultury v nasinnievii sumishi tsylindra vid chastoty obertannia tsylindra n, tryvalosti yoho obertannia proty i za hodynnykovoiu strilkoiu, tryvalosti roboty. Vyrishuiuchy kompromisnu zadachu v prohramnomu paketi Wolfram Cloud otrymano ratsionalni rezhymni parametry triiernoho separatora. Porivniannia otrymanykh eksperymentalnykh danykh z teoretychnymy pokazalo, shcho otrymani dani praktychno ziishlysia. Tse pidtverdzhuie statystychnyi analiz z otrymanymy znachenniamy koefitsiientiv koreliatsii mizh teoretychnymy ta eksperymentalnymy zalezhnostiamy. Spyraiuchys na rezultaty teoretychnykh i eksperymentalnykh doslidzhen rozrobleno sposib i alhorytm roboty mekhatronnoi systemy keruvannia selektsiino- nasinnytskym triierom, yakyi bazuietsia na udoskonalenomu prohramnomu paketi TracTrac, shcho dozvoliaie rozpiznavaty traiektoriiu polotu nasinnia po videozobrazhenniu. Porivniannia bazovoi i udoskonalenoi (u skladi mekhatronnoi systemy) konstruktsii selektsiino-nasinnytskoho triiera pokazalo, shcho udoskonalenyi triier maie bilshu potuzhnist 0,83 kVt i menshu produktyvnist 123,5 kh/hod. Zmenshennia produktyvnosti poiasniuietsia zminoiu napriamku obertannia tsylindra, ale pry tsomu pidvyshchuietsia efektyvnist tekhnolohichnoho protsesu separatsii nasinnievoho materialu, oskilky znyzhuietsia vmist domishok v nasinnievii sumishi lotka 0,82 ± 0,17 % i vmist nasinnia osnovnoi kultury v nasinnievii sumishi tsylindra 16,85 ± 2,69 %. U rezultati provedennia ekonomichnoi otsinky vstanovleno, shcho zaproponovana udoskonalena konstruktsiia selektsiino-nasinnytskoho triiera u skladi mekhatronnoi systemy maie bilshi kapitalovkladennia (do 40 %) i vyshchi zatraty na yoho amortyzatsiiu, remont i tekhnichne obsluhovuvannia (27 %). Ekonomichnyi efekt dosiahaietsia za rakhunok zmenshennia vtrat likvidnoho nasinnia v protsesi separatsii nasinnievoi sumishi (35,4 %). Pytomyi ekonomichnyi efekt protsesu separatsii nasinnievoi sumishi hirchytsi masoiu 5000 kh skladaie 12,02 hrn/kh, a strok okupnosti dodatkovykh kapitalovkladen skladaie 1,33 roky. Selektsiino-nasinnytskyi triier dlia separatsii nasinnia dribnonasinnievykh oliinykh kultur u skladi mekhatronnoi systemy vprovadzheno u vyrobnytstvo IOK NAAN. TOV «Ukrnasinniaprom» pryinialo dlia vprovadzhennia u vyrobnytstvo naukovo-metodychni rekomendatsii z nalahodzhennia triiernoho separatora nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur. Rezultaty naukovo-tekhnichnoi roboty u vyhliadi konstruktorskoi ta tekhnichnoi dokumentatsii selektsiino-nasinnytskoho triiera vprovadzheni i vykorystani na vyrobnytstvi TOV NVO «Sortuvalni mashyny» dlia vyhotovlennia vidpovidnoho doslidnoho zrazka. TOV «VNIS HENETIKS» otrymalo rekomendatsii z nalahodzhennia selektsiino-nasinnytskoho triiera dlia separatsii, rozdilennia i ochyshchennia nasinnia dribnonasinnievykh oliinykh i zernovykh kultur u vyhliadi vidpovidnykh matematychnykh zalezhnostei i konstruktyvno-tekhnolohichnykh skhem.