Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Пути интенсификации технологического процесса сепарации зерна на зерноочистительных машинах 7
1.2. Исследования параметров относительного движения зерна по решету 16
1.3. Обзор исследований влияния конструкций решет на процесс сепарации 26
1.4. Методы теоретического исследования технологического процесса решетных зерноочистительных машин 31
1.5. Выводы и задачи исследования 38
Глава 2. Теоретические исследования процесса сепарации зерна на решетах с продолговатыми отверстиями расположенными под углом к продольной оси решета 40
2.1. Влияние траектории движения частицы на вероятность взаимодействия её с кромками продолговатого отверстия решета 40
2.2. Предельная скорость движения зерна проходовой фракции на решете с наклонными продолговатыми отверстиями 46
2.3. Математическая модель относительного движения зерна по решету при взаимодействии с кромкой наклонного продолговатого отверстия
2.4. Параметры относительного движения частицы при ее взаимодействии с кромкой наклонного продолговатого отверстия
2.5. Показатели технологического процесса работы плоского решета
2.6. Выводы по главе
Глава 3 Методика экспериментальных исследований
3.1. Состав и подготовка исходной смеси
3.2. Описание экспериментальной установки
3.3. Методики определения качественных и количественных показателей работы решета
3.4. Методика оценки распределения зерна по ширине решета
3.5. Методика обработки экспериментальных данных
3.6. Методика проведения планируемого многофакторного эксперимента
Глава 4. Результаты экспериментального исследования
4.1 Результаты отсеивающего эксперимента
4.2. Результаты классического эксперимента
4.3. Результаты планируемого эксперимента
4.4. Оценка распределения зернового материала по ширине решета
4.5. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований
4.6. Выводы
Глава 5 Расчет экономической эффективности 124
Общие выводы 129
Список использованной литературы 131
Приложения 149
- Пути интенсификации технологического процесса сепарации зерна на зерноочистительных машинах
- Влияние траектории движения частицы на вероятность взаимодействия её с кромками продолговатого отверстия решета
- Параметры относительного движения частицы при ее взаимодействии с кромкой наклонного продолговатого отверстия
- Методики определения качественных и количественных показателей работы решета
Введение к работе
Послеуборочная обработка зерна является одной из наиболее ответственных и энергоемких операций при его производстве.
В настоящее время в сельском хозяйстве одной из основных является проблема очистки зерна, убранного комбайнами. Машины, агрегаты и комплексы послеуборочной обработки зерна, находящиеся на вооружении хозяйств с 70-80-х годов, изношены, да и их производительность зачастую не устраивает сельских товаропроизводителей. В последние 4-5 лет заметно увеличились объем и номенклатура средств послеуборочной обработки зерна, выпускаемых промышленностью. Однако, как отмечено А.В. Авдеевым, технический уровень выпускаемых машин заметно снизился по сравнению с достигнутым ранее [8]. Традиционно на протяжении десятков лет у сельских товаропроизводителей хорошо зарекомендовали себя зерноочтстительные машины марки «Петкус». В настоящее время фирма «Петкус Вута» готова поставлять свою технику в Россию [121], однако соотношение цен на импортные машины и прочих расходов, связанных с их приобретением, в нынешних экономических условиях оказывается не в пользу покупки машин зарубежных фирм.
Нужно отметить также, что на различных стадиях послеуборочной обработки зерна обеспеченность соответствующими машинами варьирует в достаточно широких пределах. При этом наиболее проблемная ситуация наблюдается в семеноводческой отрасли, обеспеченность хозяйств машинами вторичной очистки составляет около 12% от требуемой [9]. При столь.низкойх обеспеченности хозяйств машинами вторичной очистки у сельских товаропроизводителей есть два пути, которые можно реализовать на имеющемся оборудовании: первый - эксплуатировать машины с перегрузкой и второй -очищать зерно более длительное время. В обоих случаях как следствие может оказаться порча зерна или низкое его качество.
В научном и конструкторском плане проблема низкой производительности машин вторичной очистки может решаться двумя способами. Первый экстенсивный, связан с увеличением габаритных размеров рабочих органов и машины в целом. Это влечет за собой повышение мощности машины, зачастую необоснованное. Примером тому может послужить разработка машины вторичной очистки МВО-20 на «Воронежзерномаше» [28]. Второй способ предусматривает интенсификацию процесса сепарации зерна без увеличения габаритных размеров рабочих органов. Его реализация осуществляется за счет мобилизации факторов, имеющих непосредственное влияние на качественную и количественную стороны работы сепарирующих органов зерноочистительных машин.
В настоящей работе предложен один из путей повышения производительности плоскорешетной зерноочистительной машины — применение решета с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к его продольной оси. Публикации по теоретическим и экспериментальным исследованиям работы зерноочистительных решет с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к его продольной оси практически отсутствуют, поэтому такие решета для очистки зерна до настоящего времени не применяются.
Пути интенсификации технологического процесса сепарации зерна на зерноочистительных машинах
Улучшение показателей технологического процесса зерноочистительных машин является одной из основных задач исследований современной сельскохозяйственной науки. В последние годы изучаются принципиально новые методы и технологии очистки зерна. Так, В.И. Ани-скин и др. [11] отмечают, что одними из лучших разработок были признаны: - каскадный решетный сепаратор с крупными проходовыми отверстиями, разделяющий зерновую смесь по обобщенному признаку [67]; - компьютерный сортировщик, использующий принципы распознания образцов контролируемых частиц и обеспечивающий высокоточный отбор биологически наиболее ценного материала [119]; -высокоскоростной гравитационный сепаратор, обеспечивающий интенсивное разделение по размерным признакам в условиях самотечного движения обрабатываемого материала [36]. При анализе современных исследований в области зерноочистки выяснено, что они совершаются, как правило, по следующим направлениям: - поиск, обоснование и создание конструкции нового, простого, надежного и экономичного сепаратора; - поиск новых высокоэффективных методов очистки зерна от трудноотделимых примесей на основе не применявшихся ранее признаков разделения или разделяющих ворох по комплексу физико-механических свойств. К результатам первого направления можно отнести разработку и исследование конструкции гравитационного сепаратора с конической просевающей поверхностью, выполненную Н.Е. Авдеевым и Ю.В. Чернухиным. Сюда же можно отнести новейшую разработку ВИМа — гравитационный сепаратор СГ-0,15 [36]. В обеих конструкциях имеются общие элементы - прутковые решета, неподвижно закрепленные в корпусе. Частицы зернового вороха ска 8 тываются по ним под действием гравитационной силы, при этом мелкая фракция просеивается. К достоинствам этих конструкций можно отнести экономичность, простоту, надежность вследствие отсутствия движущихся деталей, низкий процент травмирования зерна и прочие. Однако в этих сепараторах не до конца проработан вопрос с очисткой решет от застрявших частиц. Продолжаются исследования, посвященные совершенствованию каскадного решетного сепаратора с крупными проходовыми отверстиями. Ю.Ж. Дондоков сравнивал четыре схемы установок решетных полотен каскадного сепаратора для выделения мелкой примеси из семян пшеницы: - с увеличивающимися отверстиями от загрузочного конца к разгрузочному; - с уменьшающимися отверстиями от внутреннего решета к внешнему; - с одновременно изменяющимися отверстиями (признаки в комбинации); - с постоянными неменяющимися отверстиями (базовый вариант, прототип). При сравнении работы сепаратора по первым трем схемам с прототипом выяснено, что можно увеличить выделение мелкой фракции на 11% больше при использовании комбинированного варьирования диаметра отверстий от загрузочного конца к разгрузочному [40]. При исследовании каскадного сепаратора Ю.Ж. Дондоков не сравнивал его работу с серийными машинами и не делал агрооценку (соответствия требованиям ГОСТа по чистоте) очищенного зеонового материала. Из графических зависимостей, приведенных автором ясно, что длина каждого решета составляла 1,3 м, а в семяочистительных машинах длина решетных полотен равна 0,8 м. В случае использования более длинных решет в серийных машинах можно также обеспечивать более высокий показатель очистки зерна. Автор, к сожалению, не указывает качественно-количественных характеристик каскадного сепаратора (производитель 9 ность, энерго-, металлоемкость и другие), по которым можно дать объективную оценку машине. Ко второму направлению развития технологий и конструкций машин для очистки зерна от трудноотделимых примесей можно отнести методы: - диэлектрического сепарирования зерна [72,136,137]; - фрикционной очистки зерна [13]; - разделения вороха по влажности отдельных зерен [39, 158]; - разделения зерна по комплексу физико-механических свойств: шероховатости, форме, коэффициенту восстановления скорости после удара [62]; - сепарирования зерновок по сферичности [45]; - разделения семян по массе [68]; - сепарирования семян в однородном электрическом поле [156, 157, 158, 159]; - сортировки семян по цвету [167] и многие другие. Эти методы на данном этапе находятся на различных стадиях освоения, поэтому их обобщение для анализа является преждевременным. Можно лишь отметить, что очистка зерна от трудноотделимых примесей всегда являлась наименее производительной и наиболее дорогостоящей операцией и, вероятно, останется таковой в ближайшем будущем. Наряду с этими направлениями исследований продолжается совершенствование традиционных способов очистки зерна.
Известны исследования в области пневматической очистки зерна, совершаемые в последние годы учеными: Н.И. Косиловым, В.Л. Злочевским, В.М. Дринчей, С.С. Ямпиловым, А.И. Бурковым и многими другими. При анализе работ этих авторов [18, 42, 87, 146, 155, 161, 29] выяснено, что на современном этапе развития разрабатываются технологии, при которых на частицу вороха в пневматическом канале действует несколько разнонаправленных сил. Это явление позволяет протекать процессу сепарации более эффективно чем в вертикальных аспирационных каналах существующих машин. В.Л. Злочевский и Е.А. Ессеев теоретически исследовали процесс пнев-мосепарации тонкодисперсных частиц как при детерминированном, так и при вероятностном подходах [58]. Авторами рассматривается влияние случайных воздействий «белого шума» на длительность процесса пневмосепа-рации тонкодисперсных частиц. При этом использована квазистационарная модель случайного процесса.
Для очистки зерна от трудноотделимых примесей по плотности традиционно применялись пневмосепарационные столы. В настоящее время конструкции машин, работающих по этому методу, постоянно совершенствуются. Во многом этому способствуют исследования ученых В.М. Дринчи, С.С. Ямпилова и других. В работах [43, 44, 47, 48] исследованы и обоснованы параметры усовершенствованных машин для разделения зерна в псевдоожи-женном слое. При их анализе выяснено, что исследования продолжаются по следующим направлениям: совершенствование и обоснование делительных устройств (ножевые, решетные, шахтные); обоснование формы дек виброп-невмосепараторов; обоснование состояния рабочей поверхности; обоснование аэродинамического сопротивления деки; обоснование проведения технологических операций очистки, предшествующих вибропневмосепарирова-нию и другим.
Влияние траектории движения частицы на вероятность взаимодействия её с кромками продолговатого отверстия решета
Лабораторная установка состоит из рамы 4, на которой подвешен решетный стан 10, бункера 1 с механизмом дозирования зерна 6, лотков для подачи сходовой и проходовой фракций 12 в емкости 7, 14, механизма привода решета 5. Подвески решетного стана выполнены из стальных пластин. Для опытов использовались плоские пробивные решета, с углами наклона отверстий от 0 до 45 (изображение 2 приложения В). Длина и ширина лабораторных решет соответственно равны 415 и 150 мм с размерами отверстий: 2,2x20 мм.
Механизм привода сообщает решету продольные колебания с регулируемыми параметрами по частоте и амплитуде. Он состоит из двигателя постоянного тока, конического редуктора, приводного вала и цилиндрического редуктора. На валу последнего размещен кривошип - генератор колебаний решета. Колебательное движение решетного стана осуществляется с помощью шатуна, который свободными концом соединен с решетным станом. Решетный стан соединен пружиной с рамой лабораторной установки. Усилие пружины определяется с учетом массы решетного стана с зерном, а также величины максимального его ускорения.
Изменение амплитуды колебаний решета осуществляли изменением радиуса регулируемого кривошипа. Амплитуду колебаний можно плавно изменять от 0,0 до 10,5 мм.
Угол продольного наклона решета варьируется изменением длин подвесок решетного стана. Угол поперечного наклона решета изменяется при помощи регулирования длин подвесок и специальных калиброванных проста-вок, которые обеспечивают дискретное, ступенчатое изменение поперечного угла. Частота колебаний решета регулировалась изменением напряжения, подаваемого на приводной электродвигатель постоянного тока и контролировалась с помощью строботахометра СТ-МЭИ.
Зерновой материал из бункера на решето подается питающей лопастной катушкой, привод которой осуществляется от отдельного электродвигателя. Величину подачи зернового материала на решето варьировали путем изменения напряжения питания электродвигателя постоянного тока. Величину подачи зернового материала на решето устанавливали путем изменения напряжения питания электродвигателя и контролировали по вольтметру согласно тарировочному графику. Максимально допустимое отклонение подачи зернового материала (G) от заданной величины принято ±2,5%. Дозирующее устройство может обеспечивать регулирование подачи от 50 до 800 кг/(дм-ч) путем изменения частоты вращения дозирующей катушки и установкой сменных катушек.
Под решетом установлено щеточное очищающее устройство, привод которого осуществляется от индивидуального электродвигателя через редуктор и кривошипный механизм. Амплитуда колебаний щеток равна 50 мм, частота вращения кривошипа 0,25 с" . Конструкцией предусмотрена возможность регулирования степени поджатия щеток к решету.
Полученные в результате сепарации фракции зерна (сходовая и прохо-довая) направляются скатными досками в соответствующие емкости. Причем для сбора зерна каждой фракции установлено по две емкости, одна для сбора зерна в режиме установившегося движения, а другая при входе в него. Подача зерна в ту или иную емкость осуществляется с помощью сблокированных клапанов, установленных на концах скатных досок. Учитывая, что конструкцией лабораторной установки предусмотрена возможность сбора фракций зерна за контрольное время опыта в емкости для установившегося режима, продолжительность времени опыта принята 30 секунд.
Каждый опыт проводили в следующей последовательности: предварительно закрепляли сменное решето с требуемым углом наклона отверстий, устанавливали угол его поперечного наклона, а также другие параметры работы решета; согласно тарировочному графику устанавливали напряжение питания электродвигателя подачи зернового материала; включали электродвигатель механизма привода решета, контролировали и корректировали частоту вращения приводного вала; включали электродвигатель подачи зернового материала - сходовая и проходовая фракции направлялись во вспомогательные емкости; через 10... 15 секунд включали секундомер и одновременно перебрасывали клапаны скатных досок, подавая зерно в емкости для установившегося режима; через 30 секунд клапаны скатных досок перебрасывали в исходное положение, выключали секундомер и подачу зернового материала; выключали электродвигатель механизма привода решета; взвешивали сходовую и проходовую фракции, по выражению (3.2) определяли величину є. Все данные замеров, установок и наблюдений записывали в лабораторный журнал.
К качественной оценке сепарирования зерновой смеси многие ученые [20, 30, 98, 140] относят полноту разделения. Авторы Л.И. Мачихина и Г.Ф. Саф-ронов разработали всесторонний и подробный подход к оценке качества сепаратора для очистки риса [100]. Он применим также к испытаниям лабораторных установок для сепарации зерна. Недостатком этого подхода является сравнительно большой объем вычислений, что делает его применимым только для специализированных предприятий, занимающихся испытанием техники.
Весьма оригинальным подходом к оценке качественного эффекта работы решета и подготовке зернового вороха является методика, изложенная Б.И. Зюзьковым [66]. Определение коэффициента разделения ведется по результатам двух пропусков зернового материала через один и тот же рабочий орган.
После первого пропуска проход решета окрашивают и определяют относительное его содержание (А]). Смешивают сход и проход первого пропуска и вторично сортируют этот материал. Определяют отношение окрашенного зерна в проходе ко всему вороху (А2). Коэффициент разделения (є) определяют из выражения:
Параметры относительного движения частицы при ее взаимодействии с кромкой наклонного продолговатого отверстия
Увеличение амплитуды колебаний решета ведет к росту полноты разделения, причем для величины удельной нагрузки G = 1,34 кг/(м с) ее влияние более выражено. Это объясняется тем, что любой величине удельной нагрузки на решето соответствует своя величина ускорения. Подобный вывод был сделан Г.Н. Павлихиным, сообщившим, что «...оптимальное значение кинематического фактора j = со R повышается с увеличением производительности...» [114]. Из сказанного ясно: чем больше величина удельной нагрузки на решето, тем больше должна быть величина его ускорения. Ускорение решета прямо пропорционально амплитуде его колебаний. Возвращаясь к рисункам 4.8...4.11, можно отметить, что при величине удельной нагрузки G=l,34 кг/(м с) есть больший резерв увеличения полноты разделения, который реализуется с возрастанием амплитуды колебаний. В этих условиях быстрее протекают процессы перемешивания в зерновой массе, что способствует лучшему проходу частиц мелкой фракции к решету. В случае, когда удельная нагрузка на решето составляет 0,67 кг/(м с), толщина слоя зерна на нем сравнительно небольшая и увеличение амплитуды колебаний ведет к незначительному повышению полноты разделения. Очевидно, в этом случае резервы повышения полноты разделения оказываются исчерпанными и дальнейшее увеличение амплитуды колебаний решета приведет к снижению качества сепарации.
Наибольшее повышение полноты разделения наблюдается на режимах, зависимости которых представлены на рисунках 4.10 и 4.11. Вышеуказанные параметры работы характеризуются значительными углами наклона отверстий (10 и 20) и поперечного наклона (1,5 и 3,0) решета. Этот факт обуславливает наличие дополнительных перемещений зерновок влево и вправо, что приводит к увеличению суммарного их пути по решету. При этом частично «гасится» скорость продольного перемещения материала по решету, что при амплитуде колебаний, применяемой в серийных зерноочистительных машинах ведет к увеличению высоты слоя материала и снижению производительности. Однако, в условиях применения повышенной амплитуды колебаний, скорость движения зернового материала по решету остается прежней при улучшившемся качестве очистки.
При величинах амплитуды колебаний (9,00...9,25) х 10"3 м наблюдается стабилизация полноты разделения на определенном уровне. В этом случае скорость движения зерна по решету приближается к предельной, при которой процесс сепарации прекращается.
Для выявления закономерностей полноты разделения в условиях варьирования частоты колебаний решета, проведена дополнительная серия опытов. С целью минимизации их количества, к рассмотрению приняты те же режимы, что использовались в предыдущей серии опытов по выявлению зависимостей качества разделения от амплитуды колебаний. Поскольку наиболее характерные закономерности в прошлой серии были получены для величины удельной нагрузки G = 1,34 кг/(м с), она принята для настоящих исследований. Амплитуда колебаний была зафиксирована и равнялась 7,5 10"3 м. Частота колебаний решета варьировалась на следующих уровнях: 400, 450. 500 мин"1. По результатам эксперимента построены зависимости полноты разделения от частоты колебаний решета, представленные на рисунке 4.12. Полнота разделения зависит от частоты колебаний решета, причем возрастает с увеличением последней. Это явление объясняется наличием оптимального ускорения для любой величины удельной нагрузки на решето. Ускорение колебаний решета зависит не только от амплитуды, но и от частоты. В настоящей серии опытов, когда амплитуда колебаний решета фиксировалась на величине 7,5 10"3 м, оптимальное ускорение достигалось путем увеличения частоты колебаний решета. Результаты этой и предыдущей серии экспериментов говорят о том, что оптимальное значение ускорений решета для данных условий просеивания семян по величине больше, чем у режима серийных зерноочистительных машин.2. Из полученных зависимостей видно, что значения полноты разделения для решет, интенсифицирующих процесс сепарации зерна выше, чем значения качественного показателя для серийного решета. Наилучшими являются параметры установки решета: а = 10, ап = 0. При проведении классического эксперимента выявлены закономерности полноты разделения на решете, интенсифицирующем процесс сепарации зерна. Дано толкование их вида и причин, обуславливающих их характер. Обоснован диапазон варьирования факторов, влияющих на процесс сепарации, который использован при проведении планируемого пятифакторного эксперимента. Так, величину удельной нагрузки следует варьировать в диапазоне: 0,67...2,01 кг/(м с); угол наклона отверстий решета (а) — 10...20; угол поперечного наклона решета (ап) — 1,5...2,5; амплитуду колебаний решета (R) - (7,5...9,25) х 10"3 м; частоту колебаний решета (п) - 450...550 мин"1.
Методики определения качественных и количественных показателей работы решета
Таким образом, реконструкция зерноочистительной машины МС-4,5 позволит повысить ее производительность на вторичной очистке пшеницы на 23%, снизить приведенные затраты на обработку зерна на 14,41%, получить годовой экономический эффект 13392 руб. Затраты на реконструкцию зерноочистительной машины окупаются в течение одного года работы агрегата. 1. Аналитически установлено, что расположение прямоугольных отвер стий под углом к направлению движения зерна увеличивает вероятность прохода частицы в отверстие в 1.7 раза при угле расположения кромки от верстия 20. При углах более 20 вероятность прохода зерна в отверстие возрастает менее интенсивно. 2. Разработана методика расчета предельной скорости относительного движения зерна в зависимости от угла расположения продолговатого отвер стия решета по условию прохода частицы через отверстие. Получено уравне ние (2.15), из которого следует, что с увеличением угла расположения отвер стий предельная скорость зерна уменьшается. По результатам расчетов уста новлены значения рациональных углов расположения отверстий решета с учетом предельной скорости движения зерна, при скорости относительного движения зерна более 0,3 м/с отверстия должны располагаться под углом не более 15. 3. Получена система уравнений (2.39, 2.40) являющаяся математической моделью относительного движения зерна по решету при взаимодействии с гранью продолговатого отверстия расположенного под углом к продольной оси решета установленного под углом в продольном и поперечном направле нии, позволяющая определить перемещения, скорости и ускорения частицы. Установлено, что частица на колеблющемся решете с продолговатыми отвер стиями расположенными под углом к продольной оси решета совершает сложное движение в продольном и поперечном направлениях. Это благопри ятно сказывается на использовании площади решета, но может приводить к е неравномерному распределению слоя зерна на решете. Устранение этого яв ления возможно подбором угла поперечного наклона плоскости решета. 4. В результате применения аппарата планирования эксперимента полу чена регрессионная модель (4.2) процесса сепарации зерна позволяющая оп ределить зависимость полноты разделения зерновой смеси от величины удельной нагрузки на решето, частоты и амплитуды колебаний решета, угла расположения отверстий и угла поперечного наклона плоскости решета. 5. На основании теоретических и экспериментальных исследований предложены оптимальные конструктивные параметры решета и кинематические режимы его работы позволяющие интенсифицировать технологический процесс сепарации на решетных зерноочистительных машинах. Процесс сепарации интенсифицируется при угле расположения грани продолговатого отверстия 15, угле поперечного наклона плоскости решета 2, радиусе кривошипа 7,5 мм, частоте колебаний 525 мин 1. 6. Экспериментальные исследования хорошо согласуются с теоретическими выводами. Оптимальный угол расположения отверстий решета для зерна пшеницы установленный экспериментально составляет 15 и находится в диапазоне установленном теоретически (до 20). Экспериментально подтверждена возможность выравнивания слоя зерна на решете с расположением отверстий под углом к продольной оси за счет поперечного угла наклона плоскости решета, при расположении отверстий 15 оптимальный угол поперечного наклона плоскости решета составляет 2. Теоретические и экспериментальные зависимости производительности решета при фиксированной полноте разделения имеют расхождение не более 6%. 7. Проведена производственная проверка работы решет предложенной конструкции на машине МС-4,5 на режимах соответствующих вторичной очистке зерна. Выявлено увеличение производительности модернизированной машины на 23% по сравнению с серийным аналогом. Годовой экономический эффект равен 13392 рублей в год. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 0,4 года.
