Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние рассматриваемого вопроса. Задачи исследования 10
1.1 Особенности технологии послеуборочной обработки зерна в условиях Западной Сибири и актуальность темы исследования 10
1.2 Требования к рабочим органам для первичной очистки зерна 12
1.3 Энергетическая модель процесса сепарации в зерноочистительных машинах 15
1.4 Анализ работ, связанных с исследованием цилиндрических решет 17
1.5 Обоснование и анализ резонансных и авторезонансных явлений .25
1.6 Новый подход в методологии теоретических исследований рабочих органов зерноочистительных машин 27
1.7 Основные положения синергетической теории взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин .34
1.8 Общие выводы по первой главе. Задачи исследования 38
Глава 2 Теоретическое обоснование авторезонансного порционного режима движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете с позиции синергетики 40
2.1 Построение структуры системы «цилиндрическое решето –обрабатываемое зерно» и ее характеристика 40
2.2 Баланс и трансформирование энергии в системе «цилиндрическое решето – обрабатываемое зерно» .42
2.3 Закономерности образования свободной энергии зерна в горизонтальном цилиндрическом решете .46
2.4 Синергетическая модель поведения системы «горизонтальное цилиндрическое решето – обрабатываемое зерно» 51
2.5 Теоретическое обоснование авторезонансного порционного режима движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете 55
2.5.1 Закономерности изменения силового поля горизонтального цилиндрического решета .55
2.5.2 Выводы из анализа силового поля горизонтального цилиндрического решета .60
2.6 Теоретическое обоснование конструктивного решения, осуществляющего авторезонансный порционный режим движения зерна в цилиндрическом решете 62
2.7 Выводы по второй главе .71
Глава 3 Методика исследования .73
3.1 Методика теоретического исследования .73
3.2 Методика экспериментального исследования 76
3.2.1 Устройство лабораторной установки .76
3.2.2 Методика оценки интенсивности процесса сепарации 81
3.2.3 Достоверность экспериментальных исследований .84
3.2.4 Математическая обработка экспериментальных данных .85
Глава 4 Экспериментальное исследование горизонтального цилиндрического решета с авторезонансным порционным режимом движения зернового вороха 86
4.1 Организация и программа экспериментальных исследований 86
4.2 Анализ режимов движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете с учетом бокового давления зерна на торцевые стенки 88
4.2.1 Анализ режимов движения овса в горизонтальном цилиндрическом решете .92
4.2.2 Анализ режимов движения ячменя в горизонтальном цилиндрическом решете .93
4.2.3 Анализ режимов движения гороха в горизонтальном цилиндрическом решете .96
4.2.4 Анализ режимов движения пшеницы в горизонтальном цилиндрическом решете .98
4.3 Закономерности перехода энергии от цилиндрического решета в обрабатываемое зерно .101
4.4 Закономерности процесса сепарации зерна в горизонтальном цилиндрическом решете при авторезонансном порционном режиме его движения 107
Глава 5 Оценка экономической эффективности работы горизонтального цилиндрического решета с использованием авторезонансного порционного режима движения зерна 117
Заключение .123
Список литературы .125
Приложения 137
- Анализ работ, связанных с исследованием цилиндрических решет
- Закономерности изменения силового поля горизонтального цилиндрического решета
- Анализ режимов движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете с учетом бокового давления зерна на торцевые стенки
- Закономерности процесса сепарации зерна в горизонтальном цилиндрическом решете при авторезонансном порционном режиме его движения
Анализ работ, связанных с исследованием цилиндрических решет
Прежде чем выбрать рабочий орган для первичной обработки зернового вороха повышенной влажности, отметим преимущества и недостатки рабочих органов существующих зерноочистительных машин.
Плоские решета совершают возвратно-поступательные прямолинейные или круговые колебания. Перевод зернового вороха в псевдоожиженное состояние осуществляется за счет действия сил инерции в поле силы тяжести. Регулирование процесса сепарации в них состоит в изменении частоты вращения кривошипа (изменяется сила инерции), амплитуды колебаний и угла наклона поверхности решета.
Недостатки плоскорешетных рабочих органов:
1. Возвратно-поступательное движение больших масс (решетных станов, шатунов, зерна на решете) создает инерционные нагрузки на привод, движущиеся части машины, раму, вибрация приводит к смещениям частей рамы, появляются блуждающие колебания, которые накладываются на заданные технологические, искажают их. П.Н. Лапшин [60] отмечает: «…эксплуатация данных машин показала, что действительные характеристики движения решетных станов не соответствуют оптимальным (паспортным) параметрам. Расхождение их составляет 10-36 %. Вибрационные перемещения рам машин первичной очистки зерна в 2-8 раз превышают допустимые значения».
2. Вибрация снижает производительность машин, их надежность, приводит к разрушениям рамы и рабочих органов, затрачивается значительная энергия на преодоление вредных колебаний, которые передаются на другие машины, нарушают их технологический процесс.
3. Все плоскорешетные машины работают в поле силы тяжести. Режимы их работы полностью зависят от ускорения силы тяжести, которая является постоянной величиной (передача энергии в обрабатываемое влажное зерно ограничивается величиной силы трения зерна по решету).
4. Плоскорешетные машины имеют сложный привод решетного стана и механизма очистки решета.
Преимущества цилиндрических рабочих органов
Главной отличительной особенностью горизонтальных вращающихся рабочих органов является простой привод, отсутствие инерционных возвратно-поступательных нагрузок, наличие центробежного ускорения, которое совместно с ускорением силы тяжести позволяет получать сложные силовые поля внутри цилиндра, передавать большое количество потенциальной энергии в обрабатываемое влажное зерно, что обеспечивает их высокую удельную производительность.
В обогатительной, химической, сельскохозяйственной и перерабатывающей отраслях экономики существуют свои научные школы, свой подход к исследованию горизонтально вращающихся рабочих органов машин, отличающихся их назначением и видом обрабатываемого сыпучего материала.
Почти все научные работы по цилиндрическим машинам выполнены на основе детерминистского подхода, при котором закономерности движения материальной точки, полученные в виде аналитических выражений, переносятся механически на всю зерновую среду, что является грубым допущением, не соответствующим реальному движению сыпучей среды. Результаты теоретических исследований, как правило, не использовались при разработке новых машин.
Первые научные работы при изучении шаровых мельниц, вращающихся печей, окомковывателей были выполнены в горно-обогатительной промышленности. Основы теории водопадного и перекатного режимов движения обрабатываемой среды разработаны Э.В. Дэвисом в 1920 г. [43], развиты Л.Б. Левенсоном, уточнены В.М. Осецким [80], З.Б. Кантаровичем, позднее Н.П. Нероновым, В.А. Олевским [82,83], В.Н. Коротич [58], А.В. Сланевским [112], М.М. Свиридовым [117], В.Ф. Першиным [103] и т.д.
Исследование процесса сепарации зерна в цилиндрических решетах проводили: А.А. Абидуев, В.Д. Галкин, Е.С. Гончаров, В.М. Дринча, Л.Н. Ерошенко, СЕ. Захаров, Н.М. Иванов, М.В. Киреев, В.Н. Киршин, СВ. Леканов, М.Н. Летошнев, И.П. Лапшин, Л.Н. Мачихина, Р.Г. Муллаянов, В.А. Патрин, В.А. Сабашкин, А.А. Сухопаров, С.Ф. Сороченко, Л.М. Спичкин, Н.И. Стрикунов, Г.Д. Терсков, Ф.Н. Темичев, В.Р. Торопов, И.Я. Федоренко, С.С. Ямпилов и многие другие.
Работы по совершенствованию цилиндрических решет входили в тематику исследований ВИСХОМ, ВИМ, ЛенВИМ, ВНИИЗ и других научно-исследовательских институтов.
Для увеличения кинематического режима решета и, следовательно, повышения его производительности на основании теоретических выводов многие исследователи предлагают установку внутри цилиндрического решета неподвижных устройств, изменяющих вид движения зерна в цилиндре. Варианты конструкций внутренних устройств в цилиндрических решетах приведены на рисунках 2-4.
Главным недостатком обычных цилиндрических решет, работающих при кинематических режимах 0,8 - 0,9 , является их малая удельная производительность, обусловленная:
а) наличием неподвижного ядра в центре сыпучего тела, где скапливается проходовая фракция, не доходящая до поверхности решета;
б) малой просеивающей поверхностью решета, которая составляет менее 20% от всей поверхности цилиндра;
в) низким кинематическим режимом, увеличение которого ведет к трубчатому режиму движения зерна в цилиндре и прекращению сепарации.
Кинематический режим цилиндрического решета определяется отношением центробежного ускорения a)2R к ускорению силы тяжести g, К = .
В исследованиях выше упомянутых авторов отмечается, что с увеличением величины нагрузки при всех кинематических режимах решета полнота выделения мелких фракций снижается. Исследования Р.Г. Муллаянова показали, что при К=4 затраты энергии на перемещение зерна составляют 0,452 - 0,271 кВт-кг/с при соответствующих подачах 0,56 - 1,3 кг/дм2.
Во ВНИИЗ создана новая комбинированная зерноочистительная машина У1-БАО для переработки зерновых отходов на мукомольном предприятии, в которой использованы сочетания работы цилиндрического решета с работой воздушного потока и триера [31].
Исследованием процесса работы быстроходных цилиндрических решет с осевыми колебаниями с горизонтальной и наклонной осью вращения занимались Ю.В. Гриньков и Л.М. Спичкин [111]. Дальнейшее распространение данные органы не получили по следующим причинам:
а) неустойчивость режимов движения зерна в цилиндре с осевыми колебаниями и необходимость точного подбора оборотов и частоты колебания решета;
б) сложность конструкций привода вращения и вибрации решета и повышенные энергетические затраты на обработку зерна. Известно, что вибрация, передаваемая от поверхности решета в зерновой слой, прекращается на глубине 5-6 элементарных слоев сыпучей среды из-за демпфирования пористого материала, поэтому размеры рабочих органов ограничиваются толщиной слоя зерна на которую вибрация распространяется.
Главными недостатками выше приведенных конструкций решет являются:
1) отсутствие направленного к поверхности решета процесса перераспределения частиц. В процессе пересыпания зерна по лоткам со сменой направления движения происходит перемешивание зернового слоя. Проходовые фракции, приблизившиеся к решету под действием перемешивания, вновь могут оказаться на поверхности зерновой смеси. При этом совокупность вероятностей прохождения зерен через отверстия решета уменьшается. Нарушается четвертое условие, необходимое для разделения сыпучих сред (см. рисунок 1);
2) необходимость точного подбора оборотов и частоты колебания решета;
3) конструкция зерноочистительной машины усложняется из-за передачи двух движений решету: вращения и осевой вибрации;
4) повышаются затраты энергии на обработку зерна;
5) вибрация, передаваемая от поверхности решета в зерновой слой, прекращается на глубине 5-6 элементарных слоев сыпучей среды из-за демпфирования пористого материала, что затрудняет создание машин для производства.
Закономерности изменения силового поля горизонтального цилиндрического решета
Для обоснования авторезонансного порционного режима движения зерна в горизонтальном решете необходимо знать закономерности изменения силового поля, действующего на обрабатываемую зерновую среду, находящуюся внутри вращающегося цилиндра.
Дадим анализ силового поля горизонтального вращающегося цилиндрического решета (рисунок 12) по методике, разработанной В.А. Патриным, которая позволяет определить величину и направление действия суммарного вектора ускорения всех сил, действующих в любой точке рабочего органа на обрабатываемое зерно в зависимости от кинематического режима решета. Важным является то, что полученные закономерности не связаны с конкретным диаметром решета и его оборотами, а их можно перенести на любое сочетание размеров и режимов, соблюдая условие K=co2R/g, которое называется коэффициентом центробежности.
Предположим, что на внутренней поверхности решета в трубчатом режиме движения находится зерновое кольцо толщиной х, массу кольца не учитываем, рассматриваем только ускорение и частицу. На частицу М действуют ускорение силы тяжести g и центробежное ускорение co2 R. Вектор результирующего ускорения определяется из выражения а = g + cb2 R, направление вектора а задано углом /?.
В любой точке сыпучей среды, вращающейся вместе с цилиндром, силовое поле определяется проекциями dx и dy ускорения а .
Используя подобие двух треугольников О AM и МАхМх, составим дифференциальное уравнение величины результирующего ускорения, если известно, что АхМх = dx = co2R sin а, АХМ= dy= g + co2R cos a:
Решим относительно dx, после интегрирования получим уравнение силовых линий:
Полученное уравнение силовых линий (2.6) представляет пучок прямых, пересекающихся на оси ординат в точке 0\ с координатами (0, g/co2), отстоящей от центра вращения цилиндра на расстоянии 00\ = g/2.
Более удобно координату центра силового поля представить в виде относительной безразмерной величины. Для этого левую и правую часть выражения (2.6) разделим на R, получим координату центра силовых линий: уц = R /K. (2.7)
Из уравнения (2.7) видно, что при К 1 центр силовых линий находится внутри окружности. При К 1 центр силовых линий находится на продолжении вертикального диаметра вне окружности цилиндра.
Составим дифференциальное уравнение эквипотенциальных поверхностей, учитывая, что они имеют нормали, совпадающие с направлением силовых линий. Следовательно, дифференциальное уравнение таких поверхностей будет обратным уравнению силовых линий: gdy + co2ydy = co2xdx.
Интегрируя его, получим: y2 -x2 + 2gy/co2 + C = 0. (2.8)
Определим величину ускорения для верхней и нижней половины окружности: а = gjl + К2-2К- cos(180 - а/), а = д 1 + К2 - 2К cos(a/) . (2.9)
На рисунке 13 силовое поле в течение одного оборота цилиндрического решета дано в относительных единицах и изменяется по гармоническому закону. С повышением кинематического режима поле растет, и кривые смещаются вверх относительно оси абсцисс.
Угол между направлением действия силовой линии и вертикальным диаметром цилиндра О М = /3о определяется из треугольника А1ММ1 (см. рисунок 12): а 42 +co4R2 -2gco2Rcos(\80-a) (2.10)
Поделим числитель и знаменатель в уравнении (2.10) на co2R и получим более простой способ определения угла направления результирующего ускорения через коэффициент центробежности К:
- для верхней половины окружности:
Для определения направления силовых линий удобнее пользоваться углом у между радиусом цилиндра и направлением силовой линии: у = а- р.
Предположим, что система координат или камера видеосъемки вращается вместе с цилиндром, тогда на точку М, лежащую в слое зерна, будет действовать поле сил, векторы которых можно определить из уравнений (2.9), а направление силы - по графику, приведённому на рисунке 14, где показан порядок определения направления равнодействующей силы в зависимости от угла поворота цилиндра. Рисунок 14 – Зависимость угла наклона силовых линий к радиусу от угла поворота цилиндра и коэффициента центробежности Кц
На рисунке 15 для цилиндрического решета диаметром 700 мм при К= 1,5 для пшеницы построены в масштабе в характерных точках внутренней поверхности цилиндра видно, что овалы нормальных напряжений пульсируют и качаются.
В относительном движении вектор силового поля качается относительно точки М, взятой на поверхности зернового кольца. При повороте вектора слева направо его положение отмечено цифрами 1-2-3-4-5-6-7 (в нижней половине цилиндра, рисунок 16, а). При повороте в обратном направлении (в верхней половине цилиндра, рисунок 16, б) положение вектора отмечено цифрами 7-8-9-10-11-1.
Анализ режимов движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете с учетом бокового давления зерна на торцевые стенки
До сих пор режимы движения зерна в горизонтальных цилиндрических рабочих органах машин изучались детерминистским методом. Теоретические и экспериментальные исследования ограничивались изучением движения одной материальной точки, частицы и закономерности движения их переносили на все сыпучее тело, что не соответствует фактическому состоянию сыпучей среды в рабочем органе. Многие явления этого взаимодействия остаются необъяснимыми. Системный энергетический подход, применение междисциплинарного си-нергетического метода изучения такой сложной системы, как сыпучая среда, позволил нам по-новому изучить и оценить все режимы движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете.
В задачу экспериментальных исследований входила проверка аксиомы: «Режим движения сыпучей среды и производительность любой зерноочистительной машины определяется, в первую очередь, количеством полученной энергии сыпучей средой от поверхности рабочего органа» [84].
Мы рассматривали горизонтальное цилиндрическое решето как систему, в которой рабочий орган - решето - является ведущей управляющей подсистемой, а обрабатываемое зерно - ведомой подсистемой. Важным элементом этой системы являются связи, которые обеспечивают передачу энергии. В данной системе существуют не только прямые связи, увеличивающие передачу энергии, но и обратные связи, которые при изменении состояния зерновой среды уменьшают количество передаваемой энергии или прекращают передавать ее.
В качестве связи между двумя подсистемами в зерноочистительных машинах выступают силы трения: а) между элементарными слоями зерна; б) между зерновым телом и поверхностью решета.
В соответствии с приведенной выше аксиомой, чем больше поступает от рабочего органа энергии в обрабатываемое зерно, тем выше производительность зерноочистительной машины. Мы предложили увеличить силы связи между поверхностью решета и зерновым телом посредством увеличения силы трения.
В настоящее время в цилиндрических решетах используется трение от нормального давления зерна на поверхность решета: F = f-N; F = f-oH, (4.1) где F - сила трения; f - коэффициент трения между решетом и зерновым телом; (7Н - нормальное удельное давление зерна на поверхность решета. Мы предложили для увеличения передачи энергии в зерно использовать боковое давление зерна на кольца, поставленные внутри решета (патент на изобретение №2651664 1307В 1/46 (2006.01); 23.04.2018; Бюл. №12).
Известно, что сыпучая среда передает давление не только на опорную поверхность, но и на боковые стенки сосуда, в котором она находится.
Зерно относится к идеально сыпучим средам, и коэффициент его подвижности по Р.П. Зенкову составляет:
1 / В нашем случае зерно находится в сложном переменном силовом поле, где геометрически складываются силы тяжести и центробежные силы. Динамический объемный вес зерна в новом поле определяется как / = rl(g+« 2R) (4 3) где д - ускорение силы тяжести; a)2R - угловая скорость и радиус решета.
В нижней части цилиндра, где зерновое тело получает импульс энергии от решета, нормальное действующее давление равно: Он = hyl (4.4)
Боковое давление на вертикальные кольца или торцевые поверхности цилиндрического решета определится из выражения
Для идеально сыпучих сред он равен коэффициенту подвижности.
В цилиндрических решетах силовое поле (см. главу 2) является переменным, гармоническим, величина которого зависит от угла поворота цилиндра. В нижней части решета при К=1 объемный вес зерна увеличивается в 2 раза. Следовательно, возрастают давление (нормальное и боковое) и силы трения, повышается импульс энергии, полученный зерном, что позволяет зерну порциями отрываться от поверхности решета, как свободно брошенное тело. Зерно является сыпучим, и каждая частица получает свое количество энергии, поэтому в полете имеет свою траекторию. На какое-то мгновенье все поперечное сечение цилиндрического решета заполняется поднимающимся и затем падающим потоком зерна.
Дополнительные поверхности трения в виде неподвижных колец, установленных неподвижно внутри горизонтального цилиндрического решета на некотором расстоянии друг от друга, позволяют увеличить количество передаваемой от решета зерну энергии и получить авторезонансный порционный режим движения зерна.
Принимаем следующее допущение: сила бокового давления на две торцевые стенки цилиндрического решета равны по величине силам трения, действующим на две боковые стороны кольца, установленного внутри цилиндрического решета (см. рисунок 18). Боковое давление на кольцо, установленное внутри цилиндрического решета, действует с двух его сторон, а на торцевые стенки решета с одной стороны. Таким образом, давление зерна на две торцевые стенки цилиндрического решета равно давлению зерна с двух сторон одного кольца.
Учитывая принятое в лабораторной установке допущение, расстояние между торцевыми стенками решета приняли равным 0,3 м исходя из предварительных опытов, когда зерновая среда еще переходит в порционный режим движения. В опытной зерноочистительной машине устанавливались внутри цилиндрического решета неподвижные кольца с расстоянием друг от друга 0,3 м.
Закономерности процесса сепарации зерна в горизонтальном цилиндрическом решете при авторезонансном порционном режиме его движения
Определение закономерностей процесса сепарации проводилось в соответствии с методикой, представленной в главе 3 настоящей работы, на лабораторных цилиндрических решетах диаметром 0,7 м и длиной 0,3 и 1 м.
Как известно, количественные и качественные параметры рабочих органов зерноочистительных машин оцениваются следующими показателями:
– коэффициентом полноты выделения примесей:
– показателем потерь зерна в отходах,
– коэффициентом интенсивности процесса сепарации:
В данном разделе диссертации ставилась задача экспериментального исследования процесса очистки зерна в горизонтальном цилиндрическом решете при авторезонансном порционном режиме его движения.
Необходимо было с помощью эксперимента проверить теоретические предпосылки и положения о преимуществе порционного режима движения зерна в цилиндрическом решете в процессе сепарации по сравнению с другими режимами, применяющимися на практике.
Предполагалось, что с помощью порционного вида движения можно устранить главный недостаток цилиндрических решет - их малую производительность из-за низкого коэффициента использования в сепарации поверхности решета (20%) и увеличить частоту вращения решета выше критических, при которых масса зерна вращается вместе с поверхностью решета как одно целое.
В соответствии с поставленными задачами опыты проводили на трех режимах движения обрабатываемого зерна в цилиндрическом решете: перекатно-чел-ночном, перекатном, и авторезонансном порционном.
Отличие методики проведения опытов от существующих методик заключалось в дифференцированном отборе проб проходной фракции в 12 частях поверхности решета в 5 временных отрезках без нарушения процесса сепарации.
Для этого в нижней части полуокружности решета были неподвижно установлены 12 вертикальных пробоотборников, в которые из решета высыпалась проходная фракция и далее поступала в ячейки (съемные для удобства взвешивания). Приемные ячейки (60 шт.) были установлены на подвижной платформе, которая перемещалась горизонтально через заданные промежутки времени под решетом по направляющим.
Отрезки времени отбора примесей, прошедших через отверстия решета, составляли: ДТ 5-5-10-20-40 с. Полное время опыта составляло
Результаты опытов по определению коэффициентов сепарации и полноты выделения примесей при перекатном режиме движения пшеницы в горизонтальном цилиндрическом решете приведены на рисунках 26, 27 при перекатно-челночном режиме – на рисунках 28, 29 и авторезонансном порционном – на рисунках 30, 31.
А, Б, В, Г, Д - значение полноты выделения на данном отрезке времени Рисунок 27 - Зависимость полноты выделения мелких примесей Е от времени и места сепарации в горизонтальном цилиндрическом решете при перекатном режиме движения пшеницы засоренностью С=10% при частоте вращения решета мин-1, степени заполнения решета зерном =0,29, коэффициенте использования поверхности решета Kр=0,125
Зависимость полноты выделения мелкой фракции Е от времени и места сепарации в горизонтальном цилиндрическом решете при перекатно-челночном режиме движения овса засоренностью С=10% при частоте вращения решета 28 мин1 (Кц=0,3), степени заполнения решета зерном е=0,1, коэффициенте использования поверхности решета ір=0,25
Зависимость полноты выделения мелкой фракции Е от времени и места сепарации в горизонтальном цилиндрическом решете при авторезонансном порционном режиме движения овса засоренностью С=10% при частоте вращения решета 64 мин-1 (Кц=1,6), степени заполнения решета зерном =0,2, коэффициенте использования поверхности решета Кр=0,5