Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Пути интенсификации процессов сепарации зерна при его послеуборочной обработке
1.2. Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических решет и центробежных сил для разделения зерновых смесей
1.2.1. Обзор исследований, по гравитационным неподвижным цилиндрическим решетам
1.2.2. Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических вращающихся решет
1.2.3. Результаты теоретических исследований работы цилиндрических решет
1.2.4. Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических качающихся решет
1.3. Обзор методов исследования технологического процесса решетных зерноочистительных машин
1.4. Обзор исследований конструктивно-кинематических параметров механизмов, совершающих качательное движение
1.5. Выводы и задачи исследования
Глава 2. Теоретическое исследование процесса движения и сепарации зерна на зерночистительной машине с цилиндрическими качающимися решетами
2.1. Исследование движения частицы по цилиндрическим качающимся решетам зерноочистительной машины
2.1.1 Исследование параметров движения решет зерноочистительной машины.
2.1.2 Параметры движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности решета
2.1.4 Исследование процесса движения частицы с решета на решето
2.1.3. Предельная скорость движения зерна по решету
2.2. Исследование процесса просеивания частиц при кинетическом подходе
2.3. Выводы
Глава 3. Методика экспериментальных исследований процесса сепарации зерна на зерноочистительной машине с цилиндрическими качающимися решетами
3.1. Состав и подготовка исходной смеси
3.2. Описание экспериментальной установки
3.3. Методика определения качественных и количественных показателей работы решета
3.4 Методика проведения отсеивающего эксперимента
3.5. Методика движения по градиенту
3.6. Методика проведения планируемого многофакторного эксперимента
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований процесса сепарации зерна на зерноочистительной машине с цилиндрическими качающимися решетами
4.1. Результаты отсеивающего эксперимента
4.2. Результаты применения метода градиента
4.3. Результаты планируемого эксперимента
4.4. Результаты исследования засоренности, влажности и процентного содержания проходовой фракции зернового материала
4.5. Сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований
4.6. Выводы
Глава 5. Расчет экономической эффективности зерноочистительной машины с цилиндрическими качающимися решетами
Общие выводы
Литература
Приложения
- Обзор исследований, по гравитационным неподвижным цилиндрическим решетам
- Обзор исследований конструктивно-кинематических параметров механизмов, совершающих качательное движение
- Параметры движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности решета
- Методика определения качественных и количественных показателей работы решета
Введение к работе
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Пути интенсификации процессов сепарации зерна при его послеуборочной обработке
Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических решет и центробежных сил для разделения зерновых смесей
Обзор исследований, по гравитационным неподвижным цилиндрическим решетам
Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических вращающихся решет
Результаты теоретических исследований работы цилиндрических решет
Обзор исследований, посвященных применению цилиндрических качающихся решет
Обзор методов исследования технологического процесса решетных зерноочистительных машин
Обзор исследований конструктивно-кинематических параметров механизмов, совершающих качательное движение
Выводы и задачи исследования
Обзор исследований, по гравитационным неподвижным цилиндрическим решетам
Применение цилиндрических качающихся решет в процессах разделения смесей рассматривали и изучали авторы: В.Л. Злочевский, В.В. Льготчиков, Ф.А. Мамедов, А.С. Матвеев, и другие.
Н.Н. Стрюков предложил конструкцию вибросито горизонтально -вращательного действия (качающееся сито) содержащее проволочное сито в виде подвесного мешка, в котором под действием односторонней вибрации частицы перекатываются с одной стороны на другую, при этом просеваются лишь мелкие частицы, а крупные собираются в комок [3]. Очистка ячеек и самоочистка сита не предусмотрена, для подачи новой партии требуется убрать непросеянные частицы, для чего требуется остановить работу машины. А.С. Сергеев, B.M. Соловьев, Г.Н. Павлихин, В.М. Халанский, А.Н. Зюлин и др. сконструировали решетный стан, содержащий станину, верхнее и нижнее криволинейные качающиеся решета, кривошипно-шатунный механизм [10]. С целью повышения эффективности процесса сепарации решет выполненых выпуклостью вниз в направлении движения сепарируемого материала. Авторы заостряют внимание, что вследствие криволинейности поверхности решета материал движется по решету с постоянной оптимальной скоростью, это в свою очередь приводит к улучшению разделения, более полной загрузке решета а, следовательно, к увеличению производительности.
В предложенной конструкции к положительным моментам можно отнести применение двухрешетной схемы, что позволяет разделять материал на три фракции. При этом не проработан вопрос перемешивания разделяемого материала, что способствует расслоению зернового слоя. Кроме того, авторы указывают на то, что скорость перемещения материала можно регулировать изменением радиуса кривизны решетного полотна. Последнее вызывает сомнение, так как результирующее движение разделяемой смеси осуществляется поперек направления колебаний.
Авторами А.С. Матвеевым, В.Д. Бабенко и др. предложена конструкция решетного стана включающего раму, подвешенное при помощи подвесок вогнутое решето, установленное с возможностью колебаний поперек движения зерна, привод и выпуклые козырьки для интенсивного перемешивания сепарируемой массы [5].
Авторы не учитывают то, что в .процессе перехода частицы с поверхности решета на козырек и полете зерновок на поверхность решета получается большая концентрация сепарируемой массы на небольшой площади решет. Также движение зерновок по поверхности козырьков увеличивает дополнительные перемещения, где частицы никоим образом не могут разделяться. Все это снижают показатели полноты разделения и производительности рабочей поверхности решета.
Ф.А. Мамедов, В.В. Льготчиков и С.А. Овинова и др. предложили конструкцию зерноочистительной машины [68] (рис. 1.2.): Данная зерноочистительная машина содержит раму, решето, установленное с возможностью колебательного движения для зерна, выполненное вогнутым в поперечном сечении и снабженное выпуклыми козырьками, привод, поддон. Вал зерноочистительной машины расположен под углом к горизонтальной плоскости. При этом решето жестко соединено с валом, а поддон для фракций прохода зерна закреплен на валу посредством подшипниковых узлов. Поддон связан с решетом посредством механизма уравновешивания сил инерции и преобразования амплитуды колебания.
Авторы получили зависимость, характеризующую частоту изменения момента, а следовательно, и скорости ротора двигателя, равняющейся абсолютной разности угловых частот питающих напряжений: где сок, сох, со2 - соответственно, частота изменения величины момента, частота напряжения сети переменного тока, частота напряжения на выходе однофазного частотного преобразователя.
Также были рассмотрены вопросы, связанные с ударом решета об ограничитель движения. Авторы указывают, что за счет уравновешивания сил инерции повышается надежность работы и увеличивается ее производительность.
В данной машине не проработан вопрос очистки забившихся отверстий, а движение зерна по козырькам, хотя и способствует активному перемешиванию разделяемой смеси, все же создает дополнительные перемещения, отрицательно влияющие на показатели разделения. Вызывает сомнение и то, что удар решета об ограничитель может положительно сказаться на динамике движения решета и не отражаться на деформации конструкции и приводе.
А. Сафонов и А. Котов предложили вышеупомянутую конструкцию снабдить трехфазным дугостаторным асинхронным двигателем, размещенным внутри зерноочистительной машины между решетом и поддоном и закрепленным на раме. Авторы считают, что такое решение упрощает кинематическую схему привода, повышает надежность, снижает массу, габариты и стоимость зерноочистительной машины. Возможность регулирования частоты колебаний решета для достижения наиболее интенсивной сепарации зерновой смеси позволит повысить качество разделения. В.Л. Злочевский и СВ. Тарсевич указали на недостатки зерноочистительной машины Ф.А. Мамедова и др. [95]: низкая эффективность разделения зернового . материала и низкая производительность в результате отсутствия возможности полной интенсификации просеивания вследствие достижения колебаний только с малой амплитудой. Большие габариты устройства при значительных радиусах кривизны ситовой поверхности, а также возможность совершения рычагами колебательного движения только с малой амплитудой колебаний приводит к снижению эффективности разделения зернового материала.
Авторы для повышения эффективности разделения с одновременным повышением производительности предложили снабдить цепями поддон и решето, а между ними вместо механизма уравновешивания сил инерции установить звездочку, для обеспечения колебаниями в противофазе ситовой поверхности с поддоном. У механизмов, в состав которых входят цилиндрические качающиеся решета, можно отметить следующие достоинства: 1. Конструкция решет и кинематической схемы привода подразумевает сравнительно небольшую трудоемкость изготовления, следовательно, и простоту эксплуатации. Конструктивная схема предполагает отсутствие больших вибраций рабочих органов за счет качательного. движения по дуге окружности с относительно небольшой частотой колебаний и, как результат, надежную работу зерноочистительной машины. 2. Цилиндрические качающиеся решета являются одним из эффективных способов улучшения технологического процесса разделения зерновых смесей. На протяжении всего технологического процесса происходит интенсивное перемешивание разделяемой смеси, что благоприятно сказывается на результате - полноте разделения. К недостаткам машин можно отнести отсутствие очистительных устройств, недостаточно высокий уровень технологичности конструкции, связанный с применением козырьков и невысоким коэффициентом использования площади решет. В перспективе дальнейшее развитие этого направления, с одновременным устранением недостатков машин с качающимися решетами, предположительно может дать положительную динамику в развитии простого, надежного и экономичного сепаратора зерновой смеси.
Обзор исследований конструктивно-кинематических параметров механизмов, совершающих качательное движение
Дозатор зерна щелевого типа может обеспечить расход зерна из бункера в пределах 260...2000 кг/ч. Суммарная площадь решет составила 0,41 м2. Максимально допустимое отклонение подачи зернового материала от заданной величины принято ±2,5%. Угол продольного наклона установки может изменяться в пределах 0...150 путем установки различных по высоте подкладок. Под решетами находятся поддон, подающий сходовую и проходовую фракции на соответствующие емкости. Последние собирают зерно в приемники фракций: для сбора зерна при вспомогательных операциях и в течение контрольного времени опыта. Клапан скатной доски переводится из одного положения в другое и обратно оператором. Время опыта принято равным 30 с. Его контроль осуществляется секундомером с точностью замера показаний ±2,5%». Взвешивание сходовой и проходовой фракций осуществлялось электронными весами «ВА 15.2» с точностью измерения 1 г.
Для очистки отверстий решет под ними установлены щетки. Конструкцией установки предусмотрена возможность регулирования степени поджатия щеток к решетам.
Каждый опыт проводили в следующей последовательности: предварительно устанавливали регулируемые параметры установки: угловой размах колебаний решет, частоту колебаний, угол продольного наклона; включали электродвигатель механизма привода решет, согласно тарировочному графику устанавливали требуемую величину открытия отверстия дозатора - сходовая и проходовая фракции направлялись во вспомогательные емкости; через 10... 15 секунд включали секундомер и перебрасывали клапан скатной доски, подавали зерно в емкости для установившегося режима; через 30 секунд клапан скатной доски перебрасывали в исходное положение, выключали секундомер и подачу зернового материала; выключали электродвигатель механизма привода решета; взвешивали сходовую и проходовую фракции, определяли величину полноты разделения зернового материала. Все данные замеров, установок и наблюдений записывали в лабораторный журнал и заносили в электронную базу данных персонального компьютера с программным обеспечением Microsoft Excel.
Мощность на привод решета определяли путем замера потребляемой активной мощности, тока и напряжения питания двигателя привода решета и перемножения этих величин. Замеры производили при всех работающих системах лабораторной установки. Для этих целей использовались ваттметр типа АСТД амперметр Э 59 и вольтметр М 362, имеющие класс точности 0,5. Методика определения качественных и количественных показателей работы решета К качественной оценке сепарирования зерновой смеси многие ученые [22, 24, 51, 93] относят полноту разделения. Авторы Л.И. Мачихина и Г.Ф. Сафронов разработали всесторонний и подробный подход к оценке качества сепаратора для очистки риса [69]. Он применим также к испытаниям і лабораторных установок для сепарации зерна пшеницы. 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. і Зюзьковым. 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 (Aj). Смешивают сход и проход первого пропуска и вторично сортируют этот материал. Определяют отношение окрашенного зерна і в проходе ко всему вороху (А2). Полнота разделения (є) определяют из выражения: Если после второго пропуска все окрашенное зерно попало в проход, то решето делит ворох идеально. Если процент окрашенных зерен окажется одинаковым как в сходе, так и в проходе, то решето делит зерновой материал по случайным признакам [44]. Недостатком данного метода является значительная трудоемкость по окрашиванию зерна. і Полнота разделения оценивалась с количественной стороны по следующей зависимости: і где Р - количество зерна, выделенного решетом за время опыта, кг; PQ - общее количество зерна, поступившего на решето за время опыта, кг; а - относительное содержание проходовой фракции в рабочем материале. і Величина относительного содержания проходовой фракции в рабочем зерновом материале (а) определялась следующим образом [46]. Навеску исходного материала сортировали на ряде лабораторных решет, взвешивали проход каждого из них и строили вариационную кривую распределения зернового материала по массе в функции от размеров решет. После этого подсчитывали среднюю величину (М), среднее квадратичное отклонение (а) і и отклонение рабочего размера решета (1Р) от средней (М) в долях ст. По таблице значений нормального интеграла (Ф), считая 1000 зерен за единицу, определяли относительное количество зерна (по массе), которое имеет размер от 1Р до М. Если величина рабочего размера 1Р М, то а = 0,5 - Ф, а если 1Р М, то а = 0,5 + Ф. Контроль полученной величины (а) осуществляли і путем многократного сортирования сходовой фракции зернового материала на рабочем решете. При проведении опытов производительность решета определялась на единицу его площади (м2). Методика определения производительности решета Производительность решета находится с помощью зависимостей полноты разделения от удельной нагрузки на решето (є = f(G)) (рис. 3.2). По оси абсцисс отложены величины удельной нагрузки и производительности. Это две прямо пропорциональные величины для решет прямоугольной формы. Полнота разделения - величина стандартизованная. Для машин вторичной очистки она фиксируется на отметке 0,8 (ЕСТ). На рис. 3.2 эта величина обозначена линией, параллельной оси абсцисс. Абсцисса точки пересечения зависимости є = f(G) с прямой є = 0,8 является величиной производительности решета.
Параметры движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности решета
Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена лабораторно-производственная установка (рис. 3.1), рис. 1 приложения 3.
Лабораторно-производственная установка состоит из рамы 1, на которой подвешены два решета 6 с крест-накрест расположенными подвесками 9, бункер 11, привода решета, состоящего из асинхронного электродвигателя 15, редуктора 14, коленчатого вала 13, шатуна 12, клапана скатной доски для подачи сходовой и проходовой фракций 3 в емкости 5 для сбора соответствующих фракций зерна за время опыта и вспомогательных операций. Для опытов использовались два решета с размерами отверстий: 2,4x25 мм.
Механизм привода сообщает решетам колебания с регулируемыми параметрами по частоте и углу размаха. Благодаря разборной конструкции кривошипа, угол размаха колебаний решет может изменяться в пределах 40...90. Оба решета совершают одинаковые по углу размаха колебания и находятся в противофазе. Частота колебаний решет может изменяться в пределах 64...84 мин"1 путем изменения клиноременного соотношения. Частота колебаний решет контролировалась с помощью тахометра ИО-10. Дозатор зерна щелевого типа может обеспечить расход зерна из бункера в пределах 260...2000 кг/ч. Суммарная площадь решет составила 0,41 м2. Максимально допустимое отклонение подачи зернового материала от заданной величины принято ±2,5%. Угол продольного наклона установки может изменяться в пределах 0...150 путем установки различных по высоте подкладок. Под решетами находятся поддон, подающий сходовую и проходовую фракции на соответствующие емкости. Последние собирают зерно в приемники фракций: для сбора зерна при вспомогательных операциях и в течение контрольного времени опыта. Клапан скатной доски переводится из одного положения в другое и обратно оператором. Время опыта принято равным 30 с. Его контроль осуществляется секундомером с точностью замера показаний ±2,5%». Взвешивание сходовой и проходовой фракций осуществлялось электронными весами «ВА 15.2» с точностью измерения 1 г.
Для очистки отверстий решет под ними установлены щетки. Конструкцией установки предусмотрена возможность регулирования степени поджатия щеток к решетам.
Каждый опыт проводили в следующей последовательности: предварительно устанавливали регулируемые параметры установки: угловой размах колебаний решет, частоту колебаний, угол продольного наклона; включали электродвигатель механизма привода решет, согласно тарировочному графику устанавливали требуемую величину открытия отверстия дозатора - сходовая и проходовая фракции направлялись во вспомогательные емкости; через 10... 15 секунд включали секундомер и перебрасывали клапан скатной доски, подавали зерно в емкости для установившегося режима; через 30 секунд клапан скатной доски перебрасывали в исходное положение, выключали секундомер и подачу зернового материала; выключали электродвигатель механизма привода решета; взвешивали сходовую и проходовую фракции, определяли величину полноты разделения зернового материала. Все данные замеров, установок и наблюдений записывали в лабораторный журнал и заносили в электронную базу данных персонального компьютера с программным обеспечением Microsoft Excel.
Мощность на привод решета определяли путем замера потребляемой активной мощности, тока и напряжения питания двигателя привода решета и перемножения этих величин. Замеры производили при всех работающих системах лабораторной установки. Для этих целей использовались ваттметр типа АСТД амперметр Э 59 и вольтметр М 362, имеющие класс точности 0,5. 3.3. Методика определения качественных и количественных показателей работы решета К качественной оценке сепарирования зерновой смеси многие ученые [22, 24, 51, 93] относят полноту разделения. Авторы Л.И. Мачихина и Г.Ф. Сафронов разработали всесторонний и подробный подход к оценке качества сепаратора для очистки риса [69]. Он применим также к испытаниям і лабораторных установок для сепарации зерна пшеницы. 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. і Зюзьковым. 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 (Aj). Смешивают сход и проход первого пропуска и вторично сортируют этот материал. Определяют отношение окрашенного зерна в проходе ко всему вороху (А2). Полнота разделения (є) определяют из выражения: Если после второго пропуска все окрашенное зерно попало в проход, то решето делит ворох идеально. Если процент окрашенных зерен окажется одинаковым как в сходе, так и в проходе, то решето делит зерновой материал по случайным признакам [44]. Недостатком данного метода является значительная трудоемкость по окрашиванию зерна.
Методика определения качественных и количественных показателей работы решета
. Влажность, засоренность и процентное содержание проходовой фракции ко всей массе существенно влияют на полноту разделения а, следовательно, и на производительность зерноочистительной машины с цилиндрическими качающимися решетами.
С увеличением влажности и засоренности полнота разделения падает. При увеличении процентного содержания проходовой фракции качественная сторона процесса сепарации улучшается. Все это говорит о необходимости предварительного подбора режима для конкретной зерновой смеси.
В результате теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости параметров, характеризующих работу решета. Задача настоящего исследования - выявить, как согласуются теоретические и экспериментальные результаты, и дать толкование причинам возможных расхождений. Для сравнения рассмотрены зависимости производительности решета от параметров решет Q = f(a),Q = f(n),Q = ДА) (рис. 2.17-2.19 и 4.9-4.11 соответственно). Именно эти параметры взяты по той причине, что их нахождение представляется возможным теоретически и экспериментально. Зависимости производительности при исследовании сепарации мелких частиц через отверстия решета взяты из пункта 2.2, а результаты производительности при планировании эксперимента из пункта 4.3. Экспериментальные значения этого показателя получены при проведении опытов и необходимых расчетов по определению полноты разделения при соответствующих уровнях параметров (G, кг/(м2-ч); п, мин"1; а, град.; А, град.). Из графических зависимостей (рис. 4.5. - 4.7.) видно, что теоретические и экспериментальные зависимости имеют одну и ту же закономерность, кроме того, они незначительно различаются друг от друга. Из приведенных иллюстраций видно, что теоретическая модель процесса сепарации в данной работе подтверждается результатами экспериментальной. Расхождение между теоретическими и экспериментальными зависимостями объясняется принятыми допущениями, что в конечном итоге дает небольшие разногласия в полученных результатах. К причинам данных разногласий можно отнести: 1. В кинетической теории время прохождения стандартной длины решета определяется из соотношения времени прохождения длины контрольного участка, с учетом длины этого участка. В реальности же время прохождения стандартной длины решета трудно оценить через время прохождения небольшой его части; 2. Коэффициенты «А» и «В» находятся через зависимости A=tga и B=lnb, которые, в свою очередь, определяются графически. А на основе уже этих данных вычисляется полнота разделения и производительность решета; 3. В планируемом эксперименте в значительной степени отличаются входные показатели полноты разделения и полученные по результатам обработки математическим аппаратом планируемого эксперимента. Эти и другие факторы вносят свой вклад в расхождение теоретических и экспериментальных результатов. 1. В результате проведения отсеивающего эксперимента выяснено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на полноту разделения, являются: удельная нагрузка на решето; частота колебаний решет; угол наклона плоскости решета в продольном направлении к горизонтали; угловой размах колебаний решет. 2. Уточнены параметры рационального режима, интенсифицирующие процесс сепарации зерна для случая вторичной очистки: G = 1800...2400 кг/(м2»ч), n = 69...81 мин"1, а = 6...10,2, А = 55...65. Его использование позволит увеличить производительность решета на 21 %. 3. Установлены закономерности полноты разделения зерновой смеси на цилиндрических качающихся решетах от конструктивных параметров и величины удельной нагрузки. Выяснено, что полнота разделения решета находится в тесной зависимости от величин удельной нагрузки, ускорения решета и скорости движения зерна по нему. 4. Результаты теоретического и экспериментального исследований подчиняются одним и тем же закономерностям при некотором расхождении в абсолютных величинах.
