Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Характеристика зернового вороха поступающего на послеуборочную обработку 8
1.2. Существующая техника и технология для послеуборочной обработки зерна и пути их развития 18
1.3. Анализ энергоемкости зерноочистительных машин 48
Цель и задачи исследований 52
Глава 2. Математическая модель процесса разделения зерновой смеси энергосберегающим сепаратором с использованием сил гравитации 53
2.1. Аналитическое бписание процесса движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке 53
2.2. Математическая модель процесса сепарации зернового материала энергосберегающим сепаратором 65
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1. Программа экспериментальных исследований 72
3.2. Описание экспериментальной установки и приспособлений 73
3.3. Методика проведения опытов 80
3.4. Подготовка зернового материала 81
3.5. Показатели эффективности технологического процесса 82
Глава 4. Обоснование основных параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации 86
4.1. Обоснование схемы энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации 86
4.2. Влияние основных параметров энергосберегающего сепаратора с использованием сил гравитации на эффективность очистки зерна 91
4.2.1. Влияние длины сепарирующей гребенки на эффективность выделения примесей 92
4.2.2. Влияние угла наклона сепарирующих гребенок на эффективность выделения примесей 96
4.2.3. Влияние количества сепарирующих гребенок в зигзагообразных каналах сепаратора на эффективность выделения примесей 98
4.2.4. Влияние подачи зернового материала на эффективность выделения примесей 100
4.2.5. Влияние содержания мелких, крупных примесей и влажности зернового материала на эффективность очистки 101
4.2.6. Очистка семян ржи и ячменя от мелких и крупных примесей на энергосберегающем сепараторе с использованием
сил гравитации 104
4.2.7. Испытание в хозяйственных условиях 108
Глава 5. Экономическая эффективность внедрения энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации 112
5.1. Расчет оптовой цены энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации 113
5.2. Расчет основных технико-экономических показателей 115
Основные выводы и рекомендации 120
Список использованных источников 122
Приложения 140
1. Документы о разработке и внедрение результатов диссертационной работы 141
2. Патент на изобретение 144
3. Результаты экспериментальных исследований 147
- Характеристика зернового вороха поступающего на послеуборочную обработку
- Аналитическое бписание процесса движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке
- Обоснование схемы энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации
- Расчет оптовой цены энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации
Введение к работе
Актуальность темы. Сельскохозяйственное производство России -одна из стратегических отраслей экономики, призванная обеспечивать устойчивое снабжение населения необходимыми по количеству и качеству продуктами питания.
Зерно является основным продуктом сельского хозяйства. Из зерна вырабатывают важные продукты питания: муку, крупу, хлебные и макаронные изделия. Увеличение производства зерна - главная задача сельского хозяйства.
Одним из основных этапов производства зерна является послеуборочная обработка, заключающейся в его очистке и сушке. Послеуборочная обработка зерна в себестоимости составляет около 40%, а в затратах труда — более 50% [46, 74, 147, 151]. В связи с этим послеуборочная обработка и хранения зерна является неотъемлемой и важной составной частью всего сельскохозяйственного производства.
Существующая в сельском хозяйстве техника для послеуборочной обработки зерна морально устарела и не соответствует современным условиям конкурентного зернопроизводства, т.к. произошли структурные изменения в экономике страны, а следовательно, и в сельском хозяйстве.
Имеющаяся в сельском хозяйстве зерноочистительная техника физически изношена на 70...80%. Обеспеченность крупных и средних хозяйств не превышает 35%, а малые и фермерские хозяйства вовсе не имеют требуемой техники [163]. При этом оборудование для сепарации зерна и семян по своим эксплуатационным показателям: удельной производительности, эффективности, надежности и энергоемкости не отвечает возрастающим требованиям сельского хозяйства и промышленности.
Развитие материально-технической базы послеуборочной обработки зерна возможно только на новых знаниях и рабочих органах, позволяющих создавать технологически эффективные малозатратные комплексы послеуборочной обработки зерна и подготовки семян.
В существующих сепараторах наиболее широко применяют решетные рабочие органы, конструктивное исполнение которых приводит к усложне-
нию процессов очистки, снижению надежности машин и росту энергозатрат как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации.
В этой связи разработка и обоснование основных конструктивных и технологических параметров новых сепарирующих рабочих органов и машин, адаптированных к многообразию условий производства, на принципах самотечного движения материала под действием гравитационных сил является актуальной задачей.
Исследования по разработке нового энергосберегающего самотечного сепаратора для очистки зерна выполнены в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по планам НИР на 2002-2005 гг. "Ре-сурсо-энергосберегающие технологии и технические средства по обработке и переработке сырья растительного происхождения".
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является обоснование основных конструктивно-технологических параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации.
Основные задачи исследования:
Разработать математическую модель процесса разделения зерновых смесей на энергосберегающем сепараторе для очистки зерна с использованием сил гравитации;
Изучить влияние основных параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации, а также физико-механических свойств зернового материала на эффективность выделения мелких, крупных примесей и экспериментально обосновать его основные параметры;
Изучить работоспособность энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации в хозяйственных условиях.
Объекты исследований. Физико-механические свойства зернового материала и основных примесей, процесс очистки зерновых культур на энергосберегающем сепараторе с использованием сил гравитации.
Методика исследований. Физико-механические свойства зерна и примесей определяли в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 12038-84, ГОСТ 70.102-83).
Основные параметры разрабатываемого энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации были исследованы по специально разработанной методике на экспериментальной установке и макетных образцах в производственных условиях. Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики.
Научную новизну представляют:
аналитические зависимости качественной и количественной характеристики процесса очистки зерна на энергосберегающем сепараторе с использованием сил гравитации;
технологический процесс одновременного выделения крупных и мелких примесей из зернового материала на энергосберегающем сепараторе с использованием сил гравитации, состоящем из зигзагообразного каскада гребенок (защищен патентом № 2237526).
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель процесса сепарации зернового материала энергосберегающим сепаратором с использованием сил гравитации;
аналитическое описание процесса движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке;
конструктивная, технологическая схемы и основные параметры энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации.
Практическая ценность. Разработаны рекомендации по выбору основных конструктивных параметров и режимов работы энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации производительностью 12т/ч-м.
Обоснована схема очистки зерна энергосберегающего сепаратора с использованием сил гравитации состоящий из центрального и двух боковых зигзагообразных каналов.
Реализация результатов исследования. В результате проведенных исследований разработан энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации и внедрен в СПК "Гигант" Заиграевского района Республики Бурятия.
Характеристика зернового вороха поступающего на послеуборочную обработку
В настоящее время производство зерновых материалов характеризуется тенденцией обработки всего валового сбора урожая непосредственно в хозяйствах, а постоянный рост цен на энергоносители приводит к тому, что многие хозяйства не могут уже сохранить собранное зерно без существенных его потерь из-за несвоевременной обработки и составляют 22...35% [69, 166, 174, 201]. В этом случае технический прогресс в области послеуборочной обработки зерна определяется рядом факторов, выбор которых только в комплексе обеспечит эффективное снижение энергозатрат на стадии послеуборочной обработки, а также во всем цикле зернопроизводства [161]. Одним из важных факторов влияющие на эффективность послеуборочной обработки зерна является физико-механические свойства комбайнового вороха, поступающего на пункты послеуборочной обработки.
Известно, что поступающий на тока хозяйств зерновой ворох характеризуется влажностью, засоренностью, часовой и суточной интенсивностью. Качественные и количественные показатели потока зернового вороха зависят от применяемой технологии уборки, уровня агротехники, почвенно-климатических условий, температуры и влажности воздуха, количества осадков, продолжительности росы, спелости хлебов, продолжительности работы комбайнов за сутки, тщательности их регулировок и др. [73, 126, 149, 175]. Для снижения потерь при комбайновой технологии уборки необходимо установить точную дату начала уборки и ее продолжительность. При начале уборки прямым комбайнированием с наступлением фазы полной спелости зерна, основные уборочные работы будут осуществляться в период перезрелости зерна, что приводит к потерям от самоосыпания в размере 18-38% [73]. Запаздывание со сроками уборки при неблагоприятных погодных условиях приводит к поступлению на ток зернового вороха повышенной влажности.
Проведены исследования материалов государственных испытаний машин предварительной очистки (табл. 1.1), где рассмотрено 29 протоколов испытаний машин семи наименований, зерноочистительных агрегатов и комплексов с целью выявления основных характеристик зернового вороха поступающего на обработку. Испытания этих машин, агрегатов и комплексов были проведены на машиноиспытательных станциях (МИС), расположенных в различных почвенно-климатических зонах (Сибирская, Целинная, Поволжская, Центрально-Черноземная и Кубанская МИС) [163].
Из таблицы 1.1 следует, что ворох зерна пшеницы, поступающий на послеуборочную обработку, существенно отличается как по влажности -8,8...21,63%, так и по засоренности, причем в подавляющем числе случаев количество зерновой примеси превышает процентное содержание сорной примеси. При этом чистота вороха находится в пределах 74,62...93,97%.
Как видно, ворох, поступающий на послеуборочную обработку, является чрезвычайно сложным по своим физико-механическим свойствам, как для его машинной обработки, так и для его хранения. Обработка сильно засоренного зерна, имеющего высокую влажность, сопрягается с большими затратами энергии, в первую очередь на сушку - до 30% от общих затрат энергии, потребной на производство зерновых материалов [159, 165].
Влажность является важнейшей характеристикой поступающего на ток зернового вороха и в значительной степени определяет технологию дальнейшей обработки. Сбор обширных статистических данных о влажности затрудняется в виду того, что большинство хозяйств не ведут ее систематический учет. Прогнозирование уборочной влажности на основе установления зависимостей между влажностью зерна и дефицитом влажности воздуха приводит к довольно большим погрешностям и может быть использовано только для приближенных расчетов. Причиной этому является то, что на уборочную влажность влияет оснащенность хозяйств комбайнами, наличие сушильной техники и др.
Аналитическое бписание процесса движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке
По анализу данных таблицы 1.4. можно заключить, что выпускаемые в настоящее время просеивающие машины малой производительности (до 10 т/ч) отличаются относительно высокими значениями удельных показателей энергопотребления. Негативность этой тенденции проявляется особенно остро сейчас, когда основной объем работ по очистке и переработке зерна и продуктов его измельчения выполняется непосредственно производителем [90], т.е. в фермерских хозяйствах, колхозах и совхозах. Это связано с тем, что крупные элеваторы завышают издержки по хранению зерна, из-за чего зер-нопроизводителям приходится отказываться от их услуг и хранить зерно в своих хозяйствах [111].
Носят разовый характер процессы очистки зерна перед его закладкой на хранение, неограниченный сжатым временным интервалом, а качество сепарирования в значительной степени определяет их сохранность, посевные кондиции. В этой связи предпочтение отдается просеивающим машинам небольшой производительности, но обеспечивающим высокоэффективное отделение примесей. Все это предопределяет повышенную потребность в малопроизводительном просеивающем оборудовании, увеличивает его долю в общем парке сепараторов, а, следовательно, способствует росту энергопотребления процессов сепарирования в целом по стране. В итоге, в качестве основных приоритетов развития и производства техники для переработки зерна должны выступать: повышение технического и технологического уровня производства, обоснование и разработка энергосберегающего оборудования [134] как для крупных зерноперерабатывающих предприятий, так и мелких фермерских хозяйств.
Кардинальным решением задачи снижения энергопотребления является ведение процесса сепарирования без подвода энергии от внешних источников - самотёчные или гравитационные сепараторы. Из таблицы 1.4 видно, что наиболее выгодным в отношении энергозатрат отличаются гравитационные сепараторы.
На основе анализа всех существующих зерноочистительных машин, а также новых разработанных машин можно сделать вывод о том, что наиболее перспективным направлением по разработке машин для очистки зерна, которая позволяет без подвода электроэнергии, отделить одновременно от мелких и крупных примесей является энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации.
Разработан энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации, который одновременно выделяет крупные и мелкие примеси. Отличается тем, что впереди каждой гребенки установлены скатные доски, и прутки гребенки жестко зафиксированы между собой.
Однако для практического внедрения энергосберегающего сепаратора необходимо провести экспериментальные исследования по обоснованию его основных параметров.
Цель исследования - обосновать основные конструктивно-технологические параметры энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации.
Задачи исследования: 1. Разработать математическую модель процесса разделения зерновых смесей на энергосберегающем сепараторе для очистки зерна с использованием сил гравитации; 2. Изучить влияние основных параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации, а также физико-механических свойств зернового материала на эффективность выделения мелких, крупных примесей и экспериментально обосновать его основные параметры; 3. Изучить работоспособность энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации в хозяйственных условиях.
Поскольку показатели процесса сепарации зернового материала во многом зависят от характера относительного движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке, то возникла необходимость получить законы относительного движения зерновых частиц по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке в зависимости от его физико-механических свойств и конструктивно-кинематических параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации.
Зерновое сырье и продукты его измельчения представляют собой многообразие форм частиц и условно их можно свести к двум основным группам: частицы, длина которых соизмерима с их шириной и толщиной (продукты измельчения зернового материала, горох, просо, кукуруза и т.д.); частицы, длина которых преобладает над другими ее линейными размерами (зерна пшеницы и злаковых культур, овсюг и т.д.). То в качестве модельного тела при изучении законов относительного движения зерновых частиц по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке может быть использована модель частицы в форме шара, а для второй группы - в форме эллипсоида, длина которого превышает диаметр его поперечного сечения. В этой связи нами описан процесс движения частиц зернового материала шаровидной и эллипсоидной формы.
Обоснование схемы энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации
Анализ ранее проведенных исследований А.Н. Зюлиным, А.А. Стрелковым, А.В. Некрасовым, С.С. Ямпиловым, [66, 111, 136, 163] гравитационных сепараторов с сепарирующими гребенками, пальцы которых консольно закреплены с одной стороны [176, 180], а также экспериментальные исследования показали на работоспособность данных сепараторов, и что это направление является наиболее перспективным, так как самотечный гравитационный сепаратор работает без подвода электроэнергии, за счет использования силы тяжести при движении частиц зернового материала по сепарирующим гребенкам. Гребенки представляют собой набор пальцев (проволок) определенного диаметра, имеющие одинаковые (щели) расстояния между пальцами.
Разработанный энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации принципиально отличается от всех существующих гравитационных сепараторов тем, что с целью устранения забивае-мости сепарирующей гребенки и создания слоя зернового материала определенной толщины на каждой гребенке впереди каждой гребенки установлены сплошные скатные доски. При этом зерновой материал, двигаясь с верхней сепарирующей гребенки, попадает не на ниже расположенную сепарирующую гребенку, а на сплошную скатную доску, установленную под таким же углом, но в обратном направлении. Для уменьшения металлоемкости энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации, уменьшения высоты сепаратора и увеличения эффективности выделения мелких примесей, в отличие от существующих конструкций, просеявшиеся зерна с мелкими примесями сразу после каждой гребенки центрального канала направляем в боковые каналы, в которых выделяются мелкие примеси. Для вывода мелких примесей после каждой гребенки в боковых каналах установлены дефлекторы и патрубки для вывода мелких примесей в боковую сторону. Это позволяет очищать зерно от мелких примесей при малых нагрузках и увеличить, тем самым, эффективность очистки. Для увеличения эффективности очистки, прутки гребенок жестко зафиксированы с двух сторон, а в существующих сепараторах прутки консольно закреплены с одной стороны и в процессе эксплуатации зазор между прутками нарушается, падает эффективность очистки.
Конструктивные методы по интенсификации процесса сепарации и оптимальный режим работы сепаратора должны обеспечить наиболее эффективный процесс сепарации, заключающийся в следующем. Поскольку в исходном зерновом материале, поступающий в зигзагообразный канал образованный сепарирующими гребенками, все компоненты примеси, а также зерновки разной крупности основного зерна распределены примерно равномерно, то целесообразно вести процесс обработки таким образом, чтобы в нем уже на первых сепарирующих гребенках произошло отделение более мелкой примеси с опережением всего остального зернового материала, быстро просеивались через сепарирующие гребенки и удалялись из зернового материала, а крупные - наоборот, максимально отставали в просеивании через сепарирующие гребенки. Такой процесс сепарации позволяет интенсифицировать разделение зерновой смеси.
Процесс сепарации можно осуществить следующим образом, схема энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации показана на рис.3.1. Исходный зерновой материал, подаваемый в загрузочный бункер 1, под действием сил гравитации движется вниз и попадает на сплошную скатную доску 5. Сплошная скатная доска предназначена для устранения забиваемости сепарирующей гребенки установленная после скатной доски зерновым материалом. Частицы зернового материала скатываются по сплошной доске 5 и попадают на первое сепарирующее устройство 3 (гребенку). Сплошная скатная доска и сепарирующая гребенка установлены под таким углом к горизонту, при котором материал устойчиво движется под действием сил гравитации. При таких условиях материал движется по сплошной скатной доске и сепарирующей гребенке с ускорением, и через определенное время скорость его движения повысит уровень, рациональный или допустимый для прохода частиц материала через сепарирующую гребенку. Ограничив длину сепарирующей гребенки величиной, при которой скорость движения материала еще не превысила рациональный уровень, можно направить зерновой поток на другую скатную доску и сепарирующую гребенку установленные ниже и под таким же углом к горизонту, но в обратном направлении. При этом скорость потока снизится, и процесс выделения проходовых частиц продолжится на второй сепарирующий гребенке. Далее аналогично могут быть установлены последовательно еще другие скатные доски и сепарирующие гребенки для продолжения процесса и так до достижения требуемого качества разделения. Зазор между пальцами гребенки 3 выбран достаточным, чтобы подлежащие отделению крупные частицы (крупная примесь) не прошли между пальцами, а другие, более мелкие (мелкая примесь и основное зерно), могли пройти. Сепарирующие гребенки 3 и перед ними установленные скатные доски 5 образуют центральный зигзагообразный канал, в котором происходит отделение крупной примеси от мелкой примеси и основного зерна. Крупная примесь в центральном зигзагообразном канале выводится патрубком III.
Расчет оптовой цены энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса сепарации зерновых смесей энергосберегающим сепаратором для очистки зерна с использованием сил гравитации свидетельствуют о возможности его использования на очистке зерна от крупных и мелких примесей. За один пропуск материала через энергосберегающий сепаратор могут быть выделены одновременно крупные и мелкие примеси.
Ниже дана технико-экономическая оценка применения энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации на очистке продовольственного зерна от мелких и крупных примесей при производительности 12 т/ч.
Энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации обеспечивает выделение более 90% зерна базисных кондиций. В дальнейшем очищенные зерна дорабатываются триерным блоком БТЦ - 700 два цилиндра (кукольные) выделяют короткую примесь, а два остальных (овсюжные) выделяют длинную примесь.
Гравитационный сепаратор ЗГ-25 [136] принят в качестве базовой машины.
5.1.1. Расчет отраслевой себестоимости энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации определяли по типовой методике [107,108]: 100 -М0 k с (5Л) где М0 - общая стоимость сепаратора без покупных изделий, руб. (таблица 5.2); dc - стоимость покупных изделий и деталей с добавлением затрат на транспортно-заготовительные расходы, руб.; Я - коэффициент конструктивной сложности новой машины по сравнению с аналогичными по технологии серийными машинами [108]: Я=1; q - удельный вес затрат на материалы в себестоимости машины без покупных изделий данной или аналогичной группы, %: q=54% [108]; ky - коэффициент изменения удельного веса материалов в зависимо 114 сти от масштаба производства: ку = 0,6586 + 0,037х - 0,00035х2, где х — масштаб производства, тыс. штук в год.
Масштаб производства зерноочистительных машин производительностью 12 т/ч составляет 3 тыс. штук в год: ку = 0,775 [108].
Проведенные аналитические, экспериментальные и хозяйственные исследования позволили сделать следующие основные выводы:
1. Разработанная математическая модель (2.48, 2.58, 2.59) адекватно описывает процесс просеивания компонентов зернового материала через энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации, который состоит из центрального зигзагообразного канала и двух боковых зигзагообразных каналов, в каждом из которых сепарирующие гребенки имеют одинаковый размер зазора между прутками гребенок.
2. Эффективность выделения мелких и крупных примесей возрастает с увеличением длины сепарирующей гребенки, а также с увеличением числа сепарирующих гребенок в каждом зигзагообразном канале.
3. Энергосберегающий сепаратор для очистки зерна с использованием сил гравитации, состоит из трех зигзагообразных каналов, в центральном зигзагообразном канале сепарирующие гребенки имеют зазор между прутками 4 мм, в двух боковых зигзагообразных каналах сепарирующие гребенки имеют зазор между прутками 2 мм. При подаче 12 т/ч на метр ширины сепарирующей гребенки зерновой материал пшеницы очищается от мелких и крупных примесей с эффективностью, соответствующей эффективности очистки машинам первичной очистки.
4. Для очистки зерна основных культур (пшеницы, ржи и ячменя) от мелких и крупных примесей могут использоваться одни и- те же сепарирующие гребенки в зигзагообразных каналах.
5. С увеличением влажности зернового материала увеличивается эффективность выделения мелкой примеси, а эффективность выделения крупной примеси, наоборот, уменьшается при обработке зернового материала на энергосберегающем сепараторе для очистки зерна с использованием сил гравитации.
6. Исследованиями определены следующие основные параметры энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации производительностью 12 т/ч м: - в центральном зигзагообразном канале сепарирующие гребенки имеют зазор между прутками 4 мм; - количество сепарирующих гребенок в центральном зигзагообразном канале 8 шт.; - в двух боковых зигзагообразных каналах установлено равное количество сепарирующих гребенок, имеющих зазор между прутками 2 мм; - количество сепарирующих гребенок в каждом боковом зигзагообразном канале 8 шт.; - длина всех сепарирующих гребенок составляет 155 мм; - угол наклона всех сепарирующих гребенок к горизонтальной плоскости - 50; - длина сплошных скатных досок, установленных впереди каждой сепарирующей гребенки составляет 45-55 мм.
7. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации составил более 38 тыс. руб. на одну машину.
