Обґрунтування параметрів процесу і розробка багатоярусного контейнера для зберігання плодів томатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

УДК 621.869.88:635.64

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ І РОЗРОБКА БАГАТОЯРУСНОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ ПЛОДІВ ТОМАТІВ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЦИГАНЕНКО МИХАЙЛО ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Харків - 2009



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук Мельник Віктор Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, член-кореспондент УААН, професор Кушнарьов Артур Сергійович, УНДІ прогнозування та випробування техніки і технологій для с.-г. виробництва ім. Л.Погорілого, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук Лубко Дмитро Вікторович, Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри прикладної математики та комп'ютерних технологій.

Захист дисертації відбудеться " 15 " січня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий „ 06 „ грудня 2008р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Д.Черенков



АНОТАЦІЇ

Циганенко М.О. Обґрунтування параметрів процесу і розробка багатоярусного контейнера для зберігання плодів томатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, м. Харків, 2008р.

У дисертації вирішене наукове завдання, яке направлене на зменшення втрат плодоовочевої продукції в технологічному процесі виробництва овочів за схемою „поле-магазин” шляхом застосування спеціалізованої тари з еластичного матеріалу. Побудовані математичні моделі процесу навантаження окремого плода томата, а також плода, що знаходиться в шарі собі подібних. Теоретично вирішена задача стосовно процесу зміни форми плода томата під дією зовнішньої стискаючої сили. На основі теоретичних досліджень розроблено процес збереження плодів, які знаходяться в об'ємі тари. Експериментально досліджено вплив контактуючих поверхонь на величину руйнуючого навантаження для плодів томатів.

Виконане теоретичне та експериментальне обґрунтування конструкції і параметрів багатоярусного контейнера з еластичними оболонками для плодів томатів. Досліджено, що втрати продукції, при застосуванні запропонованих контейнерів з еластичними оболонками в 2…2,5 рази менші, ніж в традиційній ящиковій тарі. томат овоч тара еластичний

Ключові слова: процес зберігання, багатоярусний контейнер, плоди томатів, ефективність.



Цыганенко М.А. Обоснование параметров процесса и разработка многоярусного контейнера для хранения плодов томатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка, г. Харьков, 2008г.

В диссертации решено научное задание, которое направлено на уменьшение потерь плодоовощной продукции в технологическом процессе производства овощей по схеме „поле-магазин” путем применения специализированной тары из эластичного материала. Путем анализа известных исследований физико-механических свойств плодов овощей, конструктивных особенностей тары и технологий ее применения установлено, что томаты имеют наименьшую стойкость к механическим воздействиям, и поэтому разработка специальной тары для них является актуальной задачей. Основные направления и тенденции совершенствования тары такие: переход от ящичной тары к контейнерной; расширение технологических возможностей контейнеров; создание секционных многоярусных контейнеров; более широкое применение каркасных конструкций контейнеров с емкостями из эластичных материалов; применение в конструкциях контейнеров амортизирующих устройств и других подобных решений.

Путем теоретических исследований, на основе построенных математических моделей нагружения плодов томатов внешними силами, определено, что реальное напряженное состояние плода томата всегда является трехмерным, но более точные результаты дает предложенная двумерная модель пластичности в совокупности с применением модельного тела в виде единичного отрезка горизонтального бесконечно длинного кругового цилиндра. Такая модель в должной мере адекватно отображает напряженное состояние плодов томатов, которые находятся во взаимодействии друг с другом и стенками тары.

В процессе теоретических исследований решена задача процесса изменения формы плода томата под действием внешней сжимающей силы, предложен порядок расчета напряженного состояния плода, получены выражения интеграла внешней нагрузки и нагрузки, действующей в произвольном горизонтальном сечении плода.

Показано, что: во-первых, коэффициент деформации плодов томатов по сравнению с воздействующей на них нагрузкой более точно отражает степень механического воздействия на них и может использоваться в качестве критерия разрушения, а, во-вторых, в случае контакта между собой, каждый из плодов томатов, находящихся в одном и том же слое, способен выдерживать большие нагрузки при тех же деформациях. Этот научный вывод положен в основу разработанного процесса сохранения плодов томатов. В соответствии с ним, для уменьшения потерь плодов конструкция тары обеспечивает боковую поддержку для каждого из плодов. В качестве упомянутой боковой поддержки используются соседние такие же плоды. Сила их сжатия по горизонтали пропорциональна изменению вертикальных нагрузок, которые возникают в процессе применения тары, и являются динамическими.

Экспериментальные исследования показали, что величина разрушающей нагрузки на томаты при контакте с эластичными поверхностями возрастает в среднем на одну треть и находится в пределах для томатов открытого грунта от 44,3 до 53,1 Н и от 58,2 до 64,4 Н для томатов защищенного грунта.

Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование размеров эластичной оболочки для транспортировки плодов томатов, которое составляет в плане 600 х 800 мм с высотой 300 мм. Также обосновано, что существенный виброизолирующий эффект от применения пружинных подвесок секции контейнера достигается при условии, что отношение возмущающей частоты воздействий к собственной частоте секции контейнера удовлетворяет условию: . В этом случае динамическое (вибрационное) воздействие на плоды даже без учета демпфирования может превышать статическое не более, чем в три раза. Лабораторные исследования показали, что потери продукции, которая транспортируется в контейнерах с эластичными оболочками, в 2…2,5 раза меньше, чем в традиционной ящичной таре.

Производственная проверка и расчеты показали, что экономия от сокращения потерь томатов в процессе применения предложенных многоярусных контейнеров с эластичными оболочками составляет в среднем 181 грн. на тонну продукции.

Ключевые слова: процесс хранения, многоярусный контейнер, плоды томатов, эффективность.



Tsyganenko M.O. Foundation of the Process Parameters and Development of Multi-level Container for Storage of Tomato Fruits. - Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree in Technical Sciences, speciality 05.05.11 - Machinery and Equipment of Mechanization of Agricultural Production. - Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture. - Kharkiv, 2008.

The paper presents the elaborated technique aimed to decrease vegetable industry products losses during transportation due to the scheme “field-supermarket” through providing specialized containers made of elastic material. Mathematic models of the process of loading of a separate tomato fruit as well as the fruit from tomato fruits layer are presented in the dissertation. The problem concerning the process of tomato fruits form deformation which are exposed to the influence of external squeezing force, acting upon them, is theoretically solved. The technique for avoiding deformation of tomato fruits housed into containers is developed on the basis of theoretical research. The influence of contact surfaces upon the magnitude of destructive load of tomato fruits is experimentally investigated.

Both theoretical and experimental foundation of design parameters of multi-level container with elastic covers for tomato fruits is propounded. It is determined that losses of tomato fruits during transportation in elastic containers are from 2,0 to 2,5 times less than those in conventional containers.

Key words: the storage process, multi-level container, tomato fruits, the contact surface, efficiency.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах переходу до ринкових відносин і бездотаційної економіки підвищення ефективності використання потенціалу агропромислового комплексу України набуває важливого значення. Збільшення виробництва овочів, підвищення якості і скорочення втрат продукції овочівництва безпосередньо пов'язані з ефективністю процесу зберігання. Низька ефективність роботи транспорту, недосконалість тари, яка пошкоджує овочі особливо при транспортуванні, і низький рівень механізації навантажувально-розвантажувальних операцій призводять до скорочення виробництва плодоовочевої продукції.

Втрати плодоовочевої продукції, близько третини вирощеного врожаю, при зберіганні і транспортуванні, обумовлені недосконалістю технічних засобів, відсутністю спеціалізованих контейнерів і обладнання для овочів і плодів, що легко пошкоджуються, таких як плоди томатів, зелені овочі, абрикоси, слива та ін. Обґрунтування параметрів процесу ушкодження плодів томатів та розробка якісно нових контейнерів з метою підвищення зберігання плодоовочевої продукції є актуальним науково-прикладним завданням для розвитку плодоовочевої галузі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності: з планом НДР - дослідного технологічного інстітуту ХНТУСГ імені Петра Василенка у рамках держбюджетної теми на замовлення Мінагрополітики України „Формування методичної основи та складання технологічних кейсів в галузі рослинництва, тваринництва та механізації сільського господарства” (№ ДР - 0105U004505); з регіональною програмою „Найважливіші проблеми АПК на період 1996-2005 рр.”; з держбюджетною тематикою науково-дослідної роботи кафедри „Експлуатація МТП" ХНТУСГ „Підвищення ефективності виробництва і якості сільськогосподарської продукції шляхом удосконалення технологічних процесів, підвищення рівня використання і технологічного забезпечення машин при механізації і автоматизації операцій прогресивних технологій виробництва, транспортування і підготовки до зберігання c.-г. продукції” (1991-1995р); „Підвищення рівня землеробства шляхом удосконалення машиновикористання при забезпеченні вимог екології і зменшенні енерго- і матеріаломісткості процесів виробництва і транспортування с.-г. продукції” (1996-2006р.), а також за госпдоговірною темою №66-88 „Механізація процесів виробництва овочів в радгоспі „Харківська овочева фабрика”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесу зберігання плодів томатів шляхом обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів багатоярусного контейнера.

Відповідно до поставленої мети визначені наступні завдання дослідження:

- виконати дослідження фізико-механічних властивостей плодів районованих сортів томатів відкритого і закритого ґрунту щодо їхньої стійкості до статичних і динамічних навантажень;

- розробити математичні моделі механізмів руйнування плодів томатів в процесі зовнішнього навантаження;

- провести математичне моделювання силової дії на плоди в ситуаціях, які виникають при застосуванні контейнерної або ящикової тари;

- враховуючи сучасні тенденції з вдосконалення ящикової і контейнерної тари, а також, спираючись на результати математичного моделювання, обґрунтувати конструкцію і параметри контейнера з метою мінімізації втрат томатів в процесі його використання;

- провести лабораторні і виробничі випробування розробленої конструкції багатоярусного контейнера з еластичними оболонками;

- провести економічне обґрунтування запропонованої конструкції контейнера.

Об'єкт дослідження: процес зберігання плодів томатів та зв'язок його з конструктивно-технологічними параметрами розроблених контейнерів і їх фізико-механічними властивостями.

Предмет дослідження: обґрунтування параметрів процесу і розробка багатоярусного контейнера для зберігання плодів томатів.

Методи дослідження: теоретичні дослідження виконані на основі моделювання законів деформації плодів томатів, що базуються на теоріях граничної рівноваги та пластичності з використанням критерія пластичності Сен-Венана. Основна система рівнянь в частинних похідних є квазілінійною та належить до гіперболічного типу і вирішувалася шляхом застосування відповідних модифікованих характеристичних методів із використанням обчислювальної техніки, зокрема кінцево-різницевими. Експериментальні дослідження проводилися із використанням лабораторного устаткування та стенда імітації транспортного процесу, шляхом створення зовнішніх статичних та динамічних впливів на плоди, які реально виникають в процесах застосування тари. Використовувався також метод порівняльного випробування контейнерів та ящикової тари у польових умовах. Обробка результатів експериментальних досліджень виконана у відповідності із положеннями теорії ймовірності та математичної статистки.

Наукова новизна одержаних результатів:

-- для оцінки впливу деформації плодів на їх зберігання одержана нова математична модель взаємодії плодів томатів між собою та стінками розробленого контейнера [7, 8, 10, 11];

-- на підставі застосування розроблених математичних моделей вперше встановлено, що при контакті між собою кожен із плодів томатів витримує більші навантаження при тих самих деформаціях [11];

-- на підставі результатів теоретичних досліджень вперше визначені закономірності процесу зберігання плодів томатів, згідно яких на зовнішні вертикальні навантаження забезпечується поява пропорційних за величиною сил бічної підтримки, які діють на кожен із плодів в їх об'ємі [10, 11 ];

-- на підставі моделювання процесу зберігання плодів томатів при застосуванні багатоярусного контейнера вперше виконано комплексне обґрунтування його конструктивних параметрів з урахуванням фізико-механічних властивостей плодів та динамічних навантажень, що виникають [3, 5, 8, 11, 12];

-- отримали подальший розвиток теоретичні дослідження фізико-механічних властивостей плодів томатів відносно їх стійкості до механічних дій [1, 3, 5 - 8].

Практичне значення одержаних результатів.

В якості тари для зберігання плодів томатів розроблено багатоярусний контейнер з еластичними оболонками, який реалізує механізм бічної підтримки плодів і забезпечує їх зберігання при транспортуванні. Новизна конструкції підтверджена авторським свідоцтвом на винахід №1717496, МКИ В 65D 85/34, заявлено 02.01.90; опубл. 07.03.92. Бюл. №9.

Запропонований триярусний контейнер з еластичними оболонками порівняно з ящиковою тарою забезпечує зниження ушкодження томатів в 2…2,5 рази.

Результати досліджень передані в ІОБ УААН (с. Селекційна Харківський р-н, Харківська обл). Розроблений контейнер впроваджено на Харківській (м. Харків) та Зміївській (смт Комсомольське, Зміївський р-н, Харківська обл.) овочевих фабриках.

В навчальному процесі на кафедрі сільськогосподарських машин використовується запропонований лабораторний пристрій для дослідження фізико-механічних властивостей плодів.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок такий: [1, 3, 6] - виконано аналіз результатів дослідження фізико-механічних властивостей томатів, що характеризують їх стійкість до механічних дій в процесі зберігання і транспортування; [2, 7, 12] - обґрунтовано конструктивні особливості багатоярусного контейнера з еластичними оболонками, призначеного для зберігання і транспортування томатів; [8 - 11] - створені математичні моделі процесів зовнішнього навантаження плодів томатів та розроблено алгоритм розрахунку зміни форми бокового контуру плода томата під дією зовнішньої сили.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи і основні положення дисертації доповідались на щорічних науково - практичних конференціях професорсько-викладацького складу ХІМЕСГ, ХНТУСГ (1988 - 2007рр.), Всесоюзній конференції зі землеробської механіки, присвяченої 110-ти літньому ювілею академіка Горячкіна (м. Мелітополь, МІМСГ, 1989р.), Всесоюзній науково - технічній конференції "Вдосконалення використання МТП" (м. Харків, 1990р.), Міжнародній науково - практичній конференції „Технічний прогрес в рослинництві ”, присвяченої сімдесятилітньому ювілею ХДТУСХ (м. Харків, ХДТУСГ, 2000р.), Міжнародній науково - практичній конференції „Технічний прогрес в АПК” (м. Харків, ХДТУСГ, 2002р., 2004р.), Х Міжнародній науково - виробничій конференції „Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения” (м. Бєлгород, ДСГА, 2006р.).

Публікації за темою дисертації складають 12 статей, опублікованих у фахових виданнях, у тому числі 2 підготовлені самостійно. Нове технічне рішення захищене авторським свідоцтвом на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації - 236 сторінок комп'ютерного тексту ( основна частина 177 сторінок); містить 54 рисунки, 20 таблиць, 8 додатків на 48 сторінках. Список використаних джерел складає 121 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і завдання досліджень, викладені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Наведена інформація про апробацію та публікації результатів досліджень, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі виконано аналітичний огляд існуючого досвіду в сфері удосконалення тари і контейнерів для зберігання і транспортування овочів і фруктів.

Вирішення завдань, пов'язаних з поставленою метою дисертаційної роботи, базується на досягненнях вітчизняних і закордонних вчених. Наукове обґрунтування методів інженерного проектування систем машин для збирання і транспортування продукції рослинництва на основі математичного моделювання закладене в працях П.М. Василенка, С.В. Кардашевського, А.Т. Лебедєва, Б.П. Шабельника, Г.Д. Петрова, М. О'Брайена, ін.

У результаті досліджень І.Б. Беренштейна, М.Є. Демідко, В.А. Каверіна, М.Є. Руденко, Б. Гаранічева та інших створені безтарні транспортні засоби і контейнери для перевезення з полів на переробку і зберігання коренеплодів, яблук, томатів і деяких інших видів овочів і фруктів.

Значний внесок у розробку методів досліджень, створення приладів і вивчення фізико-механічних властивостей плодів і овочів внесли А.С. Кушнарьов, Д.Д. Дрежнєв, Б.В. Квасніков, П.Ф. Сокіл, Р.Х. Бєков, Х. Геліх, Н. Мозенін, Е. Фінней, ін.

На основі проведеного аналізу літературних джерел сформульовані напрямки удосконалення конструкцій контейнерів, а також мета та завдання досліджень.

У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень взаємодії плодів томатів із елементами тари, зокрема вирішені завдання статичного стискання як окремого плоду, так і плоду, що знаходиться в оточенні подібних, процесу зміни форми плода томата під дією зовнішньої стискаючої сили.

В процесі досліджень плоди томатів представлені як округлі тіла, що складаються з вагомого суцільного непружного пластичного середовища, яке можна характеризувати питомою вагою г і пластичною постійною k.

Коли плоди томатів зазнають зовнішньої механічної дії, то напружений стан, який виникає в їх об'ємі, співвідноситься із статичним станом пластичності. Останній характерний тим, що в кожній точці середовища є щонайменше одна елементарна площадка, на якій дотичне напруження досягає свого критичного значення ф_max=k. Означену вимогу називають умовою пластичності.

При розрахунку параметрів напруженого стану пластичності було враховано, що на рівні математичних моделей теорії пластичності суцільних непружних середовищ і граничної рівноваги суцільних непружних ідеально-зв'язних середовищ співпадають.

Напружений стан середовища, який виникає в кожній точці області пластичності, задається тензором напруження, визначеним в ортогональній декартовій системі координат Oxyz. Його нормальні компоненти - у_xx,у_yy і у_zz, а дотичні - у_xy, у_xz і у_yz. Головні нормальні напруження у₁, у₂ та у₃ ранжирували так: у₁?у₂?у₃. Позитивним вважається стискаюче нормальне напруження, а знак дотичного напруження визначається правилами із теорії граничної рівноваги суцільних непружних середовищ.

Всі завдання, використовуючи двомірну декартову систему координат Oxy, зведені до плоскої постановки. Це пов'язано з тим, що нині двовимірні задачі граничного напруженого стану і теорії пластичності досліджені істотно повніше, внаслідок чого їх вирішення із застосуванням останніх відомих методик дає точніше уявлення про об'єкти, що вивчаються, ніж аналогічні задачі і рішення в тривимірній постановці. При цьому компоненти тензора напруження у_yz, а також головне напруження у₂ були виключені з розгляду.

Орієнтація векторів головних нормальних напружень изначаються кутом ц між лінією дії вектора у₃ та віссю абсцис координатної системи , а орієнтація самої координатної системи - за допомогою кута б між віссю ординат і вектором сили ваги середовища. З урахуванням викладеного компоненти тензора напружень у_хх, у_уу та у_уу можна визначити через кут ц і півсуму головних нормальних напружень S=1/2(у₁+у₃). В кінцевому вигляді напружений стан, що виникає в межах області пластичності, можливо описати квазілінійною системою гіперболічного типу

Характеристичне рішення для неї відоме.

Умова першого завдання. Округлий плід томатів 1 навантажений двома горизонтальними жорсткими поверхнями (деформатором 2 і опорною поверхнею 3), відстань між якими дорівнює h. Інтенсивність стискаючої дії визначається силою Р. Величина тертя спокою між деформатором і плодом визначається коефіцієнтом зовнішнього тертя f. Діаметр (ширина) d плями контакту томату з деформатором і діаметр D плоду томату в його центральному горизонтальному перетині міняються пропорційно величині відстані h між деформатором і опорною поверхнею. Криволінійні частини L^dL^u і R^dR^u контуру осьового (по Oy) перетину плоду томату не визначені. Тобто, радіус їхньої кривини , ймовірно, не має фіксованої точки дотику і не є постійним значенням для різних ділянок L^dL^u і R^dR^u .

Прийняті допущення викладені в дисертаційній роботі.

В процесі рішення завдання були сформульовані граничні умови. Дотичні напруження, що виникають на елементарних площадках в приповерхневому шарі верхньої L^uR^u і нижньої L^dR^u плям контакту, врівноважуються силами тертя . Останній вираз в розгорнутому виді має вигляд . Якщо ф_l і ф_r - дотичні напруження, що діють на елементарних площадках лівої L^uL^d і та правої R^uR^d частин вільного контуру, то для них слушні умови ф_l = 0, ф_r = 0.

В процесі рішення завдання спочатку плід томатів розглядався як сферичне модельне тіло. Для нього, використавши співвідношення, які виконуються вздовж вісі абсцис, а також уявлення про плід томатів як тіло обертання, двійним інтегруванням отримано вираз інтеграла Iu зовнішнього навантаження P. При цьому I_u розглядається як функція напівінтервалу Д_ц^u зміни кута , де ц^lu і цr^u - значення кута ц в точках L^u і R^u :

.

Інтеграл повного напруження, що діє у внутрішньому горизонтальному перетині сферичного модельного тіла, визначається виразом

,

де: , C⁺_y- постійні величини; Д_ц^u - напівінтервал зміни кута ц; y - ордината поточного горизонтального перетину модельного тіла.

Один від одного вирази (2) і (3) відрізняються тим, що враховують специфіку пружного стану в крайніх точках плями контакту та на бокових поверхнях плода.

Між собою величини I_u і I зв'язані виразом I=I_u+гД_v, де Д_v - об'єм верхнього фрагмента модельного тіла L^uR^uRL, тобто розташованого між верхньою плямою контакту L^uR^u і горизонтальною січною площиною RL.

Оскільки було показано, що реальний плід томату являє собою сферичне модельне тіло, яке підпорядковане законам об'ємного напруженого стану, то надалі для зведення завдання до плоскої постановки в якості модельного тіла був вибраний одиничний відрізок горизонтального нескінченно довгого циліндра.

Для нього шляхом простого інтегрування співвідношень, що виконуються вздовж вісі абсцис, одержано вираз інтеграла повного напруження, яке діє у внутрішньому горизонтальному перерізі

,

де x^l і x^r - абсциси крайніх точок L і R поточного горизонтального перерізу LR.

У зв'язку із зміною модельного тіла виникла необхідність знайти відповідність між заданим значенням I_u0 інтеграла зовнішнього силового навантаження з еквівалентною величиною

,

де D₀ і D - діаметри плоду в центральному горизонтальному перерізу до і після навантаження.

На підставі запропонованих моделей розроблена серія алгоритмів розрахунку геометрії вільного контуру і основних параметрів напруженого стану плоду томату.

Випробуваннями встановлено, що в процесі навантаження, перш ніж руйнуватися, плід томатів в істотній мірі деформується. Для оцінки величини деформації введено однойменний коефіцієнт д=h/h₀, де h₀ і h - поточна і початкова висота плоду.

Умова наступного завдання значною мірою повторює вже розглянуте раніше. Всі прий-няті допущення і початкові умови залишаються в силі. Специфіка полягає тільки в тому, що випробовуваний плід 1 знаходиться в тісному (спочатку без зазорів) оточенні інших таких самих і за формою, і за комплексом фізико-механічних властивостей томатів. При цьому плоди оточення 4 і 5, а також багато інших, які на рисунку не показані, зазнають таких самих механічних дій з боку деформаторів 2, 6 і 7, як і сам випробовуваний плід 1.

Для цього випадку теж розроблені математичні моделі і алгоритми розрахунку геометрії вільного контуру і параметрів напруженого стану плоду томату.

Зрештою, стосовно двох розглянутих завдань, вивчивши зв'язок коефіцієнта деформації д з інтенсивністю зовнішньої сили I_u0, визначено, що у разі бічної підтримки плоди томатів деформуються менше, витримуючи при цьому більші навантаження. Цей висновок ліг в основу запропонованої конструкції контейнера.

У третьому розділі приведене обґрунтування параметрів і конструкції багатоярусного контейнера з еластичними оболонками. Основним аргументом при обґрунтуванні горизонтальних габаритних розмірів контейнера була відповідність єдиній міжнародній системі розмірів, що базується на номінальних показниках вантажних одиниць і, зокрема, міжнародному модулю з розмірами в плані 1200 х 800 мм, а також вітчизняним галузевим стандартам, зокрема ГОСТ 21140-88 і модулю з горизонтальними розмірами 400 х 600 мм. Зрештою, з урахуванням наведених вище аргументів, прийнято, що пропонований контейнер повинен мати розміри в плані 800 х 600 мм.

Для визначення висоти секції контейнера враховувалися як статичні, так і динамічні навантаження. Тиск верхніх плодів в шарі є статичним навантаженням для плодів, які розміщені в нижньому шарі. Статичне стискаюче навантаження, що припадає на окремий плід в шарі, залежить від висоти шару плодів і щільності їх укладання:

, (6)



де с - щільність укладання плодів томатів, кг/м³; g=9,81 - прискорення вільного падіння, м/с²; h - висота шару плодів, м; н - безрозмірний коефіцієнт бічного тиску; C=1 - коефіцієнт узгодження одиниць вимірювання, м^н; d - діаметр плоду, м.

Практичний сенс залежності (6) - вона дозволяє встановити допустиму висоту секції контейнера h_CK. Відкритим залишається тільки питання - яке навантаження P_Д на плід слід вважати за допустиме. Використовувати в якості P_Д середнє значення руйнівного навантаження P_Р не можливо, оскільки в процесі зберігання і транспортування томатів украй небажано допускати навіть залишкові деформації плодів за межами пружності. Експериментами встановлено, що межа пружності для плодів томатів відкритого і закритого ґрунту складає 28…36% від . З урахуванням викладеного вище, введемо безрозмірний коефіцієнт межі пружності, який повинен потрапляти в інтервал значень від 0,28 до 0,36. Таким чином, допустиме статичне навантаження можна визначити так:

. (7)

Оскільки встановлено, що за наявності віброізолюючих пристроїв, коли відношення зовнішньої частоти впливів Щ до власної частоти щ секції контейнера задовольняє умові 0,82>Щ/щ>1,15, динамічні навантаження на плоди можуть в 1,7…3,0 рази перевищувати статичні, введемо Ю_Д -- коефіцієнт зниження граничного значення статичного руйнуючого навантаження унаслідок динамічних дій, який буде рівним 1/1,7…1/3.

Тепер введемо позначення: h_CKM -- максимально допустима висота шару томатів або секції контейнера. Далі, виконавши заміну P_C=P_Д і h=h_CKM у (6), а потім підстановку P_Д, з урахуванням (7) із (6) отримуємо рівняння



, (8)

яке потім вирішуємо:

. (9)

Підстановка в (9) конкретних значень: Ю_Д = 0,33 і Ю_ПУ = 0,36 = 48,8 Н для томатів відкритого ґрунту і 62,7 Н для томатів закритого ґрунту; с = 585 і 600 кг/м³ відповідно для томатів відкритого і закритого ґрунту; d = 0,0528 м дає максимальну висоту секції еластичної оболонки багатоярусного контейнера h_CKM = 0,47 і 0,58 м. Враховуючи те, що окремо створювати тару для плодів томатів відкритого і закритого ґрунту недоцільно, приймаємо менше значення h_CKM = 0,47 м.

Для забезпечення зменшення втрат плодів томатів, вводимо Ю_ИВ -- коефіцієнт використання висоти секції контейнера. Величина Ю_ИВ лежить в межах 0,5...0,75, що відповідає загальноприйнятим в техніці нормам. Застосувавши даний коефіцієнт, за допомогою залежності h_CK=h_CKM ·Ю_ИВ, при Ю_ИВ= 0,64 отримуємо h_CK=0,3 м -- числове значення висоти секції.

Вище показано, що у разі бічної підтримки плоди томатів можуть витримувати істотно більше навантаження, деформуючись при цьому менше, не досягаючи межі пластичності, тобто такого стану, при якому з'являються залишкові деформації. Таким чином, слід розробити таку конструкцію секції контейнера, при якій для більшості плодів реалізується цей механізм.

Для вирішення позначеного завдання запропонована наступна конструкція. Оболонка секції контейнера 1, яка власне і є корисним об'ємом для розміщення плодів томатів, виконана з еластичного тканого матеріалу. У недеформованому стані вона має прямокутну форму з відкритим верхом. У верхній частині оболонка підвішена до рами контейнера 4 на пружинних вертикальних розтяжках 2. Дно оболонки прикріплене до рами контейнера на діагональних пружинних розтяжках 3, тобто, не маючи власних елементів жорсткості, оболонка розтягнута у середині жорсткої рами контейнера.

В процесі завантаження плодів еластичне дно оболонки мінімізує ударні дії на плоди. Пропорційно завантаженню оболонка переміщується вниз. Через те, що дно прогинається, бічні стінки оболонки зміщуються до центру. Остання обставина є найважливішою. Саме за рахунок цього здійснюється згадувана вище бічна підтримка і механізм збереження плодів, відповідно до яких стінки контейнера, що зближуються, підтискають плоди в горизонтальній площині. Причому, сила бічного підтискання завжди пропорційна вертикальному навантаженню на плоди.

Досліджений механізм покладено в основу запропонованої конструкції контейнера, що має прямокутний каркас із вертикальними стійками 1, на яких закріплена бічна поперечина 2. Вона використовується як направляюча для рухомої передньої поперечини 4 верхніх ярусів. До цих поперечин на розрізних кільцях 6 підвішені еластичні оболонки 5, які разом з передньою поперечиною можна зміщувати (окрім нижньої) до задньої поперечини 3. У робочому положенні оболонки фіксуються пружними розтяжками 7. По твердій поверхні контейнер можна переміщати на його флюгерних колесах. Для механізованого підняття контейнер має спеціальні петлі. Конструкція такого багатоярусного контейнера з еластичними оболонками захищена авторським свідоцтвом на винахід.

Завантажувати контейнер слід з нижньої секції. Для поліпшення доступу до неї оболонки, розміщені зверху, необхідно змістити до задньої поперечини каркаса і компактно скласти. Завантаживши нижню секцію, в робоче положення приводять розміщену вище оболонку. Після цього фіксують її розтяжками. У такій послідовності завантажують всі оболонки контейнера. Ручне розвантаження контейнера виконують в зворотній послідовності. Можливе механізоване розвантажування контейнера проводять перевертанням. Для цього передня стінка оболонки виконана з нахилом до вертикалі.

У четвертому розділі наведено програму та методику проведення експери-ментальних досліджень, описані експериментальні установки, прилади, обладнання та результати досліджень.

Дослідженнями визначили величину статичного руйнівного навантаження плодів томатів у контакті з жорсткими і еластичними поверхнями, оцінили модуль пружності плодів томатів, пластичну сталу, коефіцієнт тертя, щільність томатів, а також провели лабораторні випробування з визначення інтенсивності ушкоджуваності плодів томатів в багатоярусних контейнерах з еластичними оболонками та дерев'яних ящиках при динамічному навантаженні.

Для визначення величини статичного руйнівного навантаження плодів томатів у контакті з жорсткими і еластичними поверхнями застосовували спеціальний прилад. Досліджувалися плоди восьми сортів круглої та сливовидної форми.

За результатами експериментальних досліджень встановлено, що плоди томатів мають щільність г/см³. Коефіцієнт зовнішнього тертя для більшості матеріалів, що можуть бути використаними в конструкціях тари, обмежується інтервалом . Пружні властивості плодів незначні і характеризуються середнім значенням модуля пружності 0,23 Н/мм².

На рис. 8 представлений отриманий розрахунковим шляхом графік залежності д=д(I_u0) між величиною коефіцієнта деформації д плоду томату і інтенсивністю силової дії I_u0 на нього. На цей графік накладені експериментальні дані одного плоду №7 сорту верліока (додат. Ж дисертації). Аналогічно виглядають і інші залежності, що стосуються всіх випробувань. Теоретична крива хоч і не апроксимує експериментальні дані, але якісно співпадає. Із збільшенням зовнішнього навантаження і експериментальні, і теоретичні значення коефіцієнта деформації монотонно зменшуються.

Експериментальні значення пластичної постійної k укладаються в діапазон (середнє значення k=0,084), що є частиною більш широкого інтервалу (у Н/мм²), який був проаналізований у другому розділі.

Для визначення пошкоджень і втрат плодоовочевої продукції в умовах, близьких до реальних, в лабораторії ХНТУСГ при кафедрі ЕМТП в процесі проведення досліджень, які виконувалися спільно з інститутом овочівництва і баштанництва Української академії аграрних наук (ІОБ УААН), був задіяний спеціальний стенд імітації транспортного процесу СІТ-4 (рис. 9).

Стенд має литу чавунну станину 1, до якої на пружинах 3 підвішена баластна платформа 2. На платформі змонтований механізм зміни швидкостей 4 і механізм вібрації 6, на якому встановлюється робоча платформа 7, що має чотири пари прийомно-дискових коліс із закріпленою на ній тарою 5.

Механізм вібрації приводиться в рух від валу електричного двигуна через муфту і механізм зміни швидкостей у вигляді редуктора із змінними шестірнями і двох зірочок з ланцюговою передачею на вали, де містяться колеса кулачкового профілю.

Досліди проводили при коливаннях робочої платформи вібростенда з частотою 9 Гц і амплітудою до 15 мм. Процес коливань записувався на індикаторний папір вібрографом ВР-1А. Режим таких коливань відповідає руху автомобіля із швидкістю близькою 50 км/год. по дорозі поганої якості з розбитим асфальтовим, бутовим або ґрунтовим покриттям.

Для випробувань і порівняння ушкоджуваності плодів взято ящик ІХ-2 (ГОСТ 2991-85) і розроблений багатоярусний контейнер. В експерименті використовували плоди помідорів круглої форми сортів Флора і V - 5F1, а також сливовидної форми сорту Лагідний, що знаходились на вивченні в ІОБ УААН.

Транспортні коливання відтворювали на стенді протягом 40 хвилин з визначенням через кожних 10 хвилин кількості плодів, що отримали пошкодження. За цими даними визначали експериментальні значення інтенсивності л(t) пошкодження плодів.

Із аналізу даних витікає ряд висновків: інтенсивність пошкодження плодів томатів при транспортуванні в ящиках завжди вища, ніж в контейнерах розробленої конструкції; ящикова тара вимогливіша до фізико-механічних властивостей томатів, і в результаті інтенсивність пошкодження плодів томатів різних сортів істотно різниться; інтенсивність пошкодження плодів томатів при транспортуванні в контейнерах розробленої конструкції залишається постійною і практично не залежить від сорту і від тривалості процесу транспортування; пошкодження плодів томатів, що транспортуються в контейнерах з еластичними оболонками, в 2…2,5 рази менше, ніж в дерев'яних ящиках.

За величиною вибірки (кількістю плодів) n=800 помилка у визначенні відсотків m=±0,8…1,7% з вірогідністю p=0,683 та m=±1,6…3,4% з вірогідністю p=0,955.

У п'ятому розділі наведено результати виробничих випробувань і техніко-економічна ефективність застосування багатоярусних контейнерів з еластичними оболонками при транспортуванні томатів закритого ґрунту за транзитною схемою „поле - магазин” .

Економія від поліпшення збереження і підвищення якості овочів склала 181 грн/т, продуктивність транспортних засобів при цьому збільшилася на 25%.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в створеному математичному моделюванні процесу зберігання плодів томатів в розробленому багатоярусному контейнері як процесу нелінійної динаміки двовимірного напружено-деформованого стану плоду з інтенсивністю зовнішнього силового навантаження і бічною підтримкою. Це дозволило підвищити ефективність процесу зберігання плодів томатів розробленим контейнером, суттєво зменшити їх пошкодження та втрати.

Головними підсумками виконаної роботи є наступні результати:

1. Проведеним аналізом результатів відомих досліджень встановлено, що існуючі технічні засоби, які використовуються для зберігання і транспортування плодів томатів, є недосконалими, призводять до їх значних пошкоджень та втрат. Для підвищення ефективності процесу зберігання необхідно застосувати засоби демпфування, які відповідають зовнішнім силовим навантаженням на плоди. Для цього в багатоярусних контейнерах необхідно встановити еластичні оболонки з пружними кільцями підвіски та розтяжками. Для визначення конструктивно-технологічних параметрів розробленого контейнера необхідно виконати теоретичні та експериментальні дослідження які б дозволили обгрунтувати технологічні показники процесу зберігання плодів томатів.

2. Виконані теоретичні дослідження та побудовані математичні моделі навантаження плодів томатів зовнішніми силами дозволили показати, що реальний напружений стан плоду томату завжди є тривимірним. Але більш точні результати дає запропонована двовимірна модель пластичності в сукупності із застосуванням модельного тіла у вигляді одиничного відрізку горизонтального нескінченно довгого кругового циліндра, яка в належній мірі адекватно відображає напружено-деформований стан плодів томатів, що знаходяться у взаємодії один з одним і стінками тари.

3. На підставі застосування розроблених математичних моделей встановлено, що при контактах між собою кожен із плодів томатів витримує більші навантаження при тих самих деформаціях. Щоб зменшити втрати, конструкція контейнера повинна забезпечувати бічну підтримку для кожного з плодів. Як бічна підтримка плодів можуть використовуватися сусідні плоди. Сила їх стиснення по горизонталі повинна бути пропорційною зміні вертикальних навантажень, які виникають в процесі транспортування і є динамічними.

4. Теоретично обґрунтовано, що коефіцієнт деформації плодів томатів в порівнянні з навантаженням, яке впливає на них, точніше відображає ступінь механічної дії і може використовуватися як критерій руйнування. Для руйнівного зусилля I_u0 від 38,7 Н до 69,7 Н коефіцієнт деформації плодів томатів д знаходиться в межах 0,7 … 0,8.

5. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що стосовно плодів томатів модельне пластичне середовище характеризується: а) щільністю г, та = [0,81; 1,12], г/см³; б) пластичною постійною k, та = [0,071; 0,097], Н/мм²; в) коефіцієнтом зовнішнього тертя f та = [0,27; 0,62]. Пружними властивостями томатів можна нехтувати. Середнє значення модуля пружності -- 0,23 Н/мм².

6. В результаті дослідження опору сортів томатів, що найбільш поширені із районованих в Харківській області, при навантаженні жорсткими і еластичними поверхнями встановлено, що з вірогідністю 95% показники руйнуючого статичного навантаження при стисненні жорсткими поверхнями знаходяться в межах: для томатів відкритого ґрунту від 38,6 до 42,3 Н; для томатів захищеного ґрунту від 48,7 до 53,4 Н. Стійкість плодів до стискаючих статичних навантажень при контакті з еластичними поверхнями зростає в 1,15…1,26 рази в порівнянні з жорсткою поверхнею.

7. Експериментально підтверджено, що запропонована конструкція контейнера з еластичними оболонками трьох секцій розміром в плані 800 х 600 мм, та глибиною 300 мм, які закріплені на 24 вертикальних та 4 діагональних пружинних розтяжках усередині жорсткого каркасу, підвищує ефективність процесу зберігання плодів і, зрештою, в порівнянні із застосуванням ящикової тари, приводить до зменшення втрат плодів у 2…2,5 рази.

8. Виробничими випробуваннями встановлено, що окрім зниження механічних дій на плоди розроблена конструкція контейнера, зручніша в обслуговуванні. Перш за все такий ефект досягається за рахунок поліпшення доступу до нижніх секцій шляхом складання верхніх, що здійснюється зсувом рухомої передньої поперечини у напрямі задніх.

9. Виробнича перевірка розроблених контейнерів в умовах Зміївської овочевої фабрики (смт Комсомольське, Зміївський р-н, Харківська обл.) підтвердила їх високу ефективність. Економія від підвищення процесу зберігання плодів томатів складає 181 грн/т.



СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Циганенко М.О. Механічні дії на плоди під час транспортування /В.А. Каверін, М.О. Циганенко // Вісник аграрної науки. - 1994. - №12. - C.65 - 70. (Здобувачем виконаний аналіз чинників, що викликають механічні пошкодження плодоовочевої продукції при застосуванні тари).

2. Циганенко М.О. М'який багатоярусний плодоовочевий контейнер /В.А. Каверін, М.О. Циганенко // Техніка АПК. - 1995. - №1. - C. 14. (Здобувачем визначене місце багатоярусного контейнера з еластичними оболонками в технологічному процесі виробництва овочів за схемою „поле-магазин”).

3. Циганенко М.О. Зменшення рівня механічного впливу на томати при транспортуванні /М.О. Циганенко, В.І. Мельник // Вісник аграрної науки. - 1999. - №11. - C.49 - 52. (Здобувачем проведений аналіз заходів стосовно зменшення механічних дій на плоди при застосуванні тари та отримано результати порівняльних ушкоджень томатів в контейнерах та ящиках).

4. Циганенко М.О. Вплив контейнерних перевезень плодоовочевої продукції на техніко - експлуатаційні показники транспортних засобів /М.О. Циганенко //Тракторная энергетика в растениеводстве. Сб.науч.тр. ХГТУСХ. /Харьков, 2000. - С.70 - 74.

5. Цыганенко М.А. Оценка стойкости томатов в зависимости от вида контактной поверхности в транспортируемой таре / М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХДТУСГ. - Харків: ХДТУСГ, 2000. - Вип. 1.- С. 148 - 155.

6. Цыганенко М.А. Методика и результаты экспериментальной оценки модуля упругости томатов /А.С. Гринченко, М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХДТУСГ. - Харків: ХДТУСГ, 2001. - Вип. 7. - С. 265 - 270. (Здобувачем виконані експериментальні дослідження та математична обробка результатів).

7. Цыганенко М.А. Оценка виброизолирующих характеристик многоярусных контейнеров для плодоовощной продукции /А.С. Гринченко, М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХДТУСГ. - Харків: ХДТУСГ, 2002. - Вип. 12. - С. 97 - 101. (Здобувачем проведене обґрунтування віброізолюючих заходів тари для плодоовочевої продукції ).

8. Цыганенко М.А. Математическая модель взаимодействия виброизолирующей оболочки многоярусного контейнера с плодами томатов / М.А. Цыганенко, А.С. Гринченко // Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - №4. - С. 78 - 80. (Здобувачем виконане обґрунтування величини руйнівного навантаження плодів томатів при статичному навантаженні в контакті з еластичними та жорсткими поверхнями).

9. Цыганенко М.А. Плоды томатов как пластическое тело / В.И. Мельник, М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - Вип. 41. - С. 283 - 299. (Здобувачем виконане моделювання зовнішньої силової дії на плід томату).

10. Цыганенко М.А. Алгоритм расчета напряженного состояния плода томата, сжатого между двумя жесткими горизонтальными плоскостями / В.И. Мельник, М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2006. - Вип. 44, т. 2. - С. 236 - 251. (Здобувачем побудована математична модель напруженого стану плоду томата).

11. Цыганенко М.А. Взаимодействие плодов томатов между собой и с жестким плоским деформатором одновременно / В.И. Мельник, М.А. Цыганенко // Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва: Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2007. - Вип. 51. - С. 349 - 362. (Здобувачем теоретично отримані параметри напруженого стану та форми плодів томатів).

12. Цыганенко М.А. Обоснование размеров секции контейнера для перевозки томатов / В.И. Мельник, М.А. Цыганенко // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2007. - Вип. 59. т. 2. - С. 75 - 80. (Здобувачем отримані експериментальні значення величини руйнівного навантаження на плоди томатів та проведено теоретичне обґрунтування розмірів секції багатоярусного контейнера).

13. А. с. 1717496 СССР, МКИ В 65D 85/34. Многоярусный контейнер для плодов/ Каверин В.А., Цыганенко М.А. (СССР). - №4776804/13; заявлено 02.01.90.; опубл. 07.03.92. Бюл. №9.

Размещено на Allbest.ru