Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Урожайность и валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия 9
1.2. Характеристика зернового вороха поступающего на послеуборочную обработку 11
1.3. Существующая техника и технология для послеуборочной обработки зерна и пути их развития
1.3.1. Общее устройство и классификация воздушных сепараторов для очистки зерна 15
1.3.2. Общее устройство и классификация гравитационных сепараторов для очистки зерна
1.4. Выводы по главе 58
1.5. Цели и задачи исследования 59
Глава 2. Теоретическое описание процесса сепарации зернового материала в воздушно-гравитационном сепараторе 60
2.1. Аналитическое описание процесса движения частиц зернового материала по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке 60
2.1.1. Теоретическое описание процесса движения зернового материала по сепарирующей гребенке 61
2.1.2. Описание процесса движения частиц пшеницы по сепарирующей гребенке 72
2.2. Математическая модель процесса сепарации компонентов зернового материала в пневмоканале с перегородками и загрузочным решетом 75
2.3. Математическая модель процесса сепарации компонентов зернового материала гравитационным сепаратором с блоком предварительного распределения 80
2.4. Процесс сепарации компонентов зернового материала в левой колонке 86
2.5. Процесс сепарации компонентов зернового материала в правой колонке 89
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 95
3.1. Программа экспериментальных исследований 95
3.2. Экспериментальные установки, оборудование и приборы
3.2.1. Экспериментальная установка для обоснования основных параметров блока предварительного распределения воздушно-гравитационного сепаратора 96
3.2.2. Экспериментальная установка для обоснования основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора 97
3.2.3. Прибор для определения скорости витания зерновок 102
3.2.4. Контрольно-измерительные приборы 102
3.3. Методика экспериментальных исследований 106
3.3.1. Схема проведения экспериментов 106
3.3.2. Методика проведения опытов при исследовании разделения семян и примеси исходного зернового материала по скорости витания 109
3.3.3. Методика проведения опытов при исследовании распределения скорости восходящего воздушного потока в пневмоканале воздушно-гравитационного сепаратора с перегородками при различной удельной зерновой нагрузке 110
3.3.4. Экспериментальное обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора 112 3
3.3.5. Методика проведения опытов при исследовании разделения зернового материала в зависимости от засоренности и влажности зерна 113
3.3.6. Оценка эффективности технологического процесса 117
3.3.7. Количество опытов и их повторность 119
Глава 4. Обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора для очистки зерна 121
4.1. Обоснование рациональной схемы воздушно-гравитационного сепаратора для очистки зерна 124
4.2. Влияние основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора на эффективность очистки зерна
4.2.1. Обоснование приемного решета на эффективность выделения особо крупных примесей 127
4.2.2. Обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора на эффективность выделения легкой примеси 128
4.2.3. Влияние количества гребенок на эффективность разделения примесей в блоке предварительного распределения воздушно-гравитационного сепаратора для очистки зерна 139
4.2.4. Обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора на эффективность выделения мелкой примеси 141
4.2.5. Очистка семян ржи и ячменя от мелких и крупных примесей на воздушно-гравитационном сепараторе
4.3. Испытание в хозяйственных условиях 157
4.4. Выводы 160
Глава 5. Экономическая эффективность внедрения воздушно-гравитационного сепаратора для очистки зерна 162
5.1. Расчет оптовой цены воздушно-гравитационного сепаратора для очистки зерна 162
5.2. Расчет основных технико-экономических показателей 166
Заключение 172
Список литературы
- Общее устройство и классификация воздушных сепараторов для очистки зерна
- Теоретическое описание процесса движения зернового материала по сепарирующей гребенке
- Экспериментальная установка для обоснования основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора
- Обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора на эффективность выделения легкой примеси
Общее устройство и классификация воздушных сепараторов для очистки зерна
Таким образом, на основе вышеприведенных данных требуется создание принципиально новой, инновационной послеуборочной техники, которая должна обеспечить соответствие климатическим условиям нашей страны [2], увеличение производительности, снижение металлоемкости, уменьшение себестоимости и эксплуатационных издержек, а также основанная на энергосберегающих технологиях.
В Российской Федерации для получения кондиционных семян используется классическая трeхступенчатая обработка. Зерно, пришедшее от комбайнов с семенного участка, подвергается сначала предварительной и первичной очистке, затем вторичной, а после этого окончательной очистке.
Известно, что в неочищенном и влажном зерновом ворохе уже на вторые сутки происходит накопление углекислого газа и вытеснение кислорода из межзернового пространства, что приводит к повреждению зародыша и потерям зерна при посеве. Поэтому необходимо, чтобы зерновой ворох был как можно быстрее очищен от примесей и доведен до кондиционной влажности [3, 12–15]. При этом качество семенного материала должно соответствовать ГОСТ Р 52325-2005 «Сортовые и посевные качества семян».
В сельском хозяйстве нашей страны большинство эксплуатируемых машин являются машинами воздушно-решетного (ветро-решетного) типа, главным органом которых является решетная часть, а дополнительным – пневмосистема. Применяемые в настоящее время машины для очистки зернового вороха воздушным потоком можно разделить на четыре основные группы: вибрационные, гравитационные, центробежные и инерционные.
Объединение в одной машине пневмосепаратора и решетного сепаратора способствует повышению эффективности очистки. Компоновка воздушного и решетного сепараторов в одной машине дает возможность использовать один механизм распределения зернового потокапоширине сепарирующих органов машины – пневмоканала и решета, повысить качество очистки вороха при пропуске через одну машину.
Схемы компоновки воздушно-решетных машин различны. Наиболее распространена схема, при которой воздушная очистка предшествует очистке на решетах. Так как наличие в материале примесей, выделяемых решетом, большого влияния на работу пневмосепаратора не оказывает, а эффективность работы решет после выделения легких примесей существенно повышается [16, 17]. Такая схема компоновки присутствует в машине предварительной очистки зерна МПР-50 [18].
Существуют схемы, где пневмосепаратор стоит после решета. Эти схемы применяются в машинах отечественных и зарубежных фирм при малой производительности иливпредварительной очистке, где установлены решета с большими отверстиями.
Имеют место технологические схемы двукратной очистки зерна воздушным потоком после решета и до него, например, в машинах СВУ-5, К-531 «Петкус».
Схемы решетной части в машинах разнообразны, при этом одиночноереше-то в них применяется редко. Наибольшее распространение получила двухъярусная схема расположения решет и включает в себя три основных схемы, отличающихся способом распределения материала по ярусам.
Первая схема предусматривает выделение сначала крупной примеси, затем мелкой. Решето с мелкими отверстиями располагают под решетом с крупными. Зерновой материал подается на верхнее решето, проходом через него выделяется основное зерно и мелкие примеси, сходом – крупные примеси. Нижним решетом в проход выделяются мелкие примеси.
Сначала выделяются мелкие примеси согласно второй схеме, затем – крупные. При этом решета установлены по ходу материала, сначала – с мелкими отверстиями, за ним – с крупными.
Наиболее эффективной считается третья схема – фракционная. В ее основе лежит идея деления на первом этапе материала примерно на две равные части, одна из которых не содержит крупных примесей, а другая – мелких. На втором этапе эти фракции обрабатываются отдельно [19].
Сущность идеи фракционной переработки заключается в разделении исходного потока зерна на фракции, отличающиеся составом примесей и физико-механическими свойствами с целью их дальнейшей раздельной очистки, гидротермической обработки и размола. При развитой схеме поэтапного фракционирования количество выделенных фракций зерна может превысить число потоков, подвергаемых в дальнейшем раздельной обработке.
Основы фракционной очистки зерна заложены в работах М.Н. Летошне-ва [20], Г.Д. Терскова [21], Н.Н. Ульриха [22], К.С. Суворова [23], они получили развитие в трудах В.Г. Дулаева [24, 25], В.В. Гортинского [26], А.Н. Зюлина [27], В.М. Дринчи [28], С.С. Ямпилова [29] и др.
Элементы метода фракционной обработки заложены, например, в конструк-циисепаратора ЗСМ-20, где фракционирование производитсяна разгрузочном сите. В 60-х годах он использовался в линиях фракционной переработки [25].
Фракционная схема очистки, наряду с классической схемой, предусматривается в ЗАВ-50, где для разделения на фракции, отличающиеся по физико-механическим свойствам примесей, предполагается использовать воздушно-решетную машину [30].
Теоретическое описание процесса движения зернового материала по сепарирующей гребенке
Вариант решений проблем засоренности отверстий решет представлен в классификаторе сыпучих материалов [3,10], включающий в себя наклонные просеивающие поверхности, установленные в корпусе зигзагообразно одно над другим, загрузочное приспособление и разгрузочные патрубки для вывода разделенных просеивающих поверхностей выполнены щелевымисувеличивающимсяраз-мером щели в направлении движения материала (рисунок 1.19, а) Конечная часть просеивающих поверхностей (в месте большего размера щели) отогнута вниз, при этом плоскость загиба этих концов проходит перпендикулярно продольным осям клиновидных отверстий (рисунок 1.19, б) Так как по мере перехода продукта с одного решета на другое содержание в нем мелкой примеси снижается, угол естественного откоса продукта уменьшается. Поэтому предлагается каждое последующее решето устанавливать под меньшим углом к горизонту в сравнении с предыдущим, для обеспечения необходимой постоянной скорости перемещения материала 0,8 - 1,2 м/с.
Усовершенствованные варианты этой зерноочистительной машины представлены в авторских свидетельствах [90], где для повышения эффективности процесса применены дополнительные разгрузочные решета (рисунок 1.20) и дефлекторы с устройством для регулировки их положения относительно решет (рисунок 1.21).
К преимуществам рассматриваемого гравитационного сепаратора можно отнести следующее: – наличие каскада решет, увеличивающих производительность и эффективность очистки; – отсутствие энергопотребления; – простота конструкции. Недостатки: – невозможность выделения легкой фракции; – не соблюдается жестко расстояние между клиновидными просеивающими отверстиями, вследствие чего снижается эффективность очистки. На основе конструкции (рисунок 1.22) классификатора сыпучих материалов КСМ-2 [3,92] разработан комбинированный сепаратор для контроля крупности продуктов измельчения зернового сырья КСМК-1 (рисунок 1.23). Он включает блок 1 с последовательно расположенными лотками 2, которые имеют пылевидные отверстия и блок 3 с зигзагообразно расположенными разделяющими элементами 4 с клиновидными просеивающими отверстиями. Сочетание в одной конструкциидостоинств щелевого и клиновидного просеивающих отверстий позволяет обеспечить устойчивые показатели работы в широком интервале изменения границы разделения. - корпус; 2 - загрузочный бункер; 3 - заслонка; 4 - наклонные просеивающие решета; 5 - дефлекторы; 6, 7 - разгрузочные патрубки для вывода разделенных фракций Рисунок 1.19 — Классификатор сыпучих материалов - корпус; 2 - загрузочный бункер;3 -заслонка; 4 - наклонные просеивающие решета; 5 - разгрузочные решета; 6 - дефлекторы; 7, 8 - разгрузочные патрубки для вывода разделенных фракций Рисунок 1.20 — Классификатор сыпучих материалов с дополнительными разгрузочными решетами В различных вариантах гравитационных сепараторов, основной которых является решета, не устраняются полностью недостатки, прямо влияющие на качество и скорость протекания процесса – забиваемость отверстий решет или сит и плохая работоспособность при наличии в очищаемом материале соломистых частиц. Такие примеси не обладают необходимой сыпучестью, чтобы под действием силы тяжести двигаться по зигзагообразному каналу. Также длинные примеси имеют свойство забиваться в отверстия, становиться вертикально или под углом к решету образовывая при этом препятствие на пути движения потока материала.
К преимуществам рассматриваемого классификатора сыпучих материалов можно отнести следующее: – отсутствие энергопотребления; – возможность поворота дефлекторов относительно решет. Недостатки: – невозможность выделения легкой фракции; – использование решет, приводящих к забиваемости; – низкая эффективность очистки вследствие применения решет.
Разработан авторским коллективом (А.Н. Зюлин, В.И. Анискин) гравитационный сепаратор [90], в котором в качестве просеивающих поверхностей применены не решета и сита, а консольно закрепленные пальцы. Сходовая часть каждой просеивающей поверхности направленанапротивоположную просеивающую поверхность под острым углом так, что сепарирующий вертикальный канал имеет форму зигзага (рисунок 1.24). Просеивающие поверхности выполнены вогнутыми и установлены с перекрытием по ширине. Консольное закрепление пальцев дает заметное повышение эффективности очистки. При движении по пальцам материала, благодаря такому конструктивному решению, они колеблются, вследствие чего могут освобождаться от застревающих между ними частиц, а также способствуют более эффективному сходу с них крупных частиц, например, соломы, стеблей трав [19].
Экспериментальная установка для обоснования основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора
Для получения математической модели удобной для последующих расчетов примем следующие допущения ввиду сложности полного описания процесса движения частиц пшеницы по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке: - сопротивление воздуха не учитывается; - при определении действующих на частицу сил взаимодействие частиц не учитывается; - упругие свойства частицы не оказывают значительного влияния на процесс движения; - частица пшеницы движется без вращения.
Примем движение частицы пшеницы весом G, которая скользит по наклонной плоскости L составляющей с горизонтом угол а. Наклонная плоскость длиной L состоит из сплошной скатной доски длиной Ьг и сепарирующей гребенке длиной L2. Схема сил действующих на частицу пшеницы, движущуюся по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке, показана на рисунке 2.5.
Для удобства последующих расчетов рассмотрим движение частицы пшеницы на первом участке по наклонной скатной доске длиной Ьг. Движение частицы пшеницы совершается под действием трех внешних сил: веса, нормальной реакции плоскости N и силы сцепления Fсц. Направим оси x и y, как указано на рисунке 2.5.
Дифференциальные уравнения движения частицы пшеницы имею вид: тхс = SXE = XЕ, (2.41) тУс = SYE = YE, (2.42) где т - масса тела; хс - проекции ускорений центра масс на ось х; Рисунок 2.5 — Схема сил действующих на частицу пшеницы, движущуюся по наклонной скатной доске и сепарирующей гребенке. XЕ - проекции главного вектора внешних сил, приложенных к телу, на ось х; XЕ - проекции внешних сил на ось х; УЕ - проекции главного вектора внешних сил, приложенных к телу, на ось y; УЕ - проекции внешних сил на ось y. Таким образом, дифференциальные уравнения движения частицы пшеницы на первом участке по наклонной скатной доске длиной Ьг имеют вид: { тхс = LXЕ = -Gsina - Fh (2.43) тус = SYE = N - G cos а. (2.44) Так как за все время ус\ = const, то ус\ = 0, а поэтому из уравнения (2.44) имеем: N - Gcosa = 0, откуда N = Gcosa. Решив уравнение (2.43) совместно с уравнением (2.44): mxxc = XXf = -G sin a - fсц1N = -G sin a - fсц1 cos a = = -mg sin a = mg(- sin a - /сц1 cos a), (2.45) найдем xxd: xXcl = g(-sina - /сц1 cos a), (2.46) где /сц1 - коэффициент сцепления частицы пшеницы на наклонной скатной доске. На первом участке сплошной скатной доски длинной Ьг найдем время движения частицы пшеницы t\ путем интегрирования выражения (2.43) по времени при нулевой начальной скорости: 1= д(-sina-)сц1 cos а) (2.47) Зная время движения частицы пшеницы tu по сплошной скатной доске длиной L\ и интегрируя выражение (2.43) найдем скорость движения частицы пшеницы по доске: Ххс і = v2bi -sina-iсц1cosa). (2.48) Рассмотрим движение частицы пшеницы на втором участке по сепарирующей гребенке длиной L2. Движение частицы пшеницы совершается под действием трех внешних сил: веса G, нормальной реакции плоскости N и силу сцепления сц2. Дифференциальные уравнения движения частицы пшеницы на втором участке по наклонной сепарирующей гребенке длиной Ь2 имеют вид: { тХХс2 = -Gsina- Fсц2 (2.49) myXc2 = N-Gcosa. (2.50) Так как за все время уХс2 = const, то уХс2 = 0, а поэтому из уравнения (2.50) имеем: N - Gcosa = О, откуда N = Gcosa. Решив уравнение (2.49) совместно с уравнением (2.50), найдем: тхXc2 = д(- sina - /сц2cosa), (2.51) где /сц2 - коэффициент сцепления частицы пшеницы на сепарирующей гребенке. На втором участке сепарирующей гребенке длиной L2 найдем время движения частицы пшениц t2 путем двойного интегрирования выражения (2.49) по времени при начальной скорости хXc\: t2= у7! + Li - 1 /2L (-sina-/сц1cosa) + 2L2 (-sina-/сц2cosa) _ V g{-sina- fсц2cosa) 2Ll9(-sina - fсц1 cos а\ g{-fсц2cosa-sina) Зная время движения частицы пшеницы t2, по сепарирующей гребенке длиной L2 и интегрируя выражение (2.49) по времени найдем скорость движения частицы пшеницы по гребенке при начальной скорости xXd : хXc2 = у/2Ьхд(- sina - /сц1 cosa) + д{- sin а - /сц2 cosa), (2.53)
Анализ формул показал, что центр тяжести частицы пшеницы движется по сплошной скатной доске и сепарирующей гребенке равноускорено с ускорением, не зависящем от веса частицы пшеницы, а также, что время движения частицы пшеницы не зависит от веса.
Разработанный воздушно-гравитационный сепаратор для очистки зерна отличается от всех существующих тем, что: – при входе в пневмоканал, в котором имеются несколько перегородок прямоугольного сечения установлено приемное решето для отделения особо крупных примесей; – для разделения зернового материала на две фракции: - основное зерно с мелкой примесьюи основное зерно с крупной примесью вначале гравитационного сепаратора установлен блок предварительного распределения, который состоит из системы гребенок с отверстиями пропускающими частицы мелкой примеси и часть основного зерна (около 50 %); – для эффективного выделения проходовых частиц над сплошными скатными досками установлены отражатели. Многие ученые исследовали процесс разделения компонентов зернового материала в воздушных сепараторах [65,66,103–111].
Они описывали траекторию движения отдельных частиц зернового материала в пневмоканале, имеющих различную форму с учетом силы тяжести, неравномерности распределения скорости воздушного потока по сечению пневмоканала и др.
Существующие математические модели описывают процесс сепарации частиц зернового материала в пневмоканале при малой удельной нагрузке, когда частицы основного зерна не создают помехи выносу легких частиц воздушным потоком.
Разработана математическая модель процесса сепарации компонентов зернового материала в пневмоканале при большой удельной нагрузке [112]. Однако не описан процесс пневмосепарации частиц зернового материала, в котором установлены несколько перегородок и при входе в пневмоканал установлено приемное решето для отделения особо крупных примесей. При рассмотрении процесса разделения частиц зернового материала каскадом решет Зюлин А.Н. [113] впервые ввел понятие интенсивность просеивания частиц через решето.
Обоснование основных параметров воздушно-гравитационного сепаратора на эффективность выделения легкой примеси
Загрузочный бункер 1 рассчитан на вместимость 30 кг сепарируемой зерновой смеси (по пшенице). Выпускное отверстие бункера оснащено регулируемой заслонкой 2.
В пневмосепарирующем канале 9 средней высотой 800 мм, глубиной 450 мм и шириной 300 мм установлены по глубине перегородки 20, которые позволяют выравнять скорость воздушного потока, что повышает эффективность разделения зернового материала.
Скорость воздушного потока в пневмоканале определяли через его динамическое давление, которое замеряли пневмометрической трубкой Пито-Прандля (согласно методике), подсоединяемой к микроманометру ММН. Для достижения герметичности установки эти отверстия заглушались с помощью липкой ленты. Также замеряли скорость воздушного потока с помощью чашечного анемометра МС-13, электронного термоанемометра Testo-405, установленных горизонтально по направлению воздушного потока. Влажность зернового материала измеряли с помощью экспресс-влагомера Фауна-МЛ.
Устройство для регулирования расхода воздуха представляет собой заслонку 17, которую, двигая по горизонтали, можно регулировать подачу воздушного потока в пневмосепарирующий канал. В качестве генератора воздушного потока использован центробежный вентилятор 12 с электродвигателем 15. Технологический процесс очистки зернового материала происходит следующим образом (рисунок 3.3).
Исходный зерновой материал поступает из загрузочного бункера 1 на приемное решето с вибрацией 21, на котором выделяются особо крупные примеси и дальше зерновой материал поступает в пневмоканал, который оснащен вертикальными перегородками для эффективного выделения легких примесей. Под воздействием воздушного потока примеси, скорость витания которых меньше скорости витания зерен основной культуры, поднимаются вверх по пневмосепа-рирующему каналу 9 и поступают в осадочную камеру 18. Из осадочной камеры легкая примесь выгружается с помощью клапана 19, который закрывает выпускное отверстиес помощью замка. Воздушный поток из осадочной камеры 18, пройдя через сетчатый фильтр 14, расположенный в осадочной камере и очищаясь от пыли, поступает в вентилятор 12 и выходит наружу через выходной патрубок, на котором установлен матерчатый фильтр 13.
Очищенное от легких примесей зерно скатывается по сплошной доске 4, где формируется зерновой слой определенной толщины. Частицы зернового материала скатываются на сплошную скатную доску 4 и попадают на первое просеивающее устройство 3 (гребенку). В результате движения часть основного зерна и мелкой примеси выделяется и попадает на дефлектор 5, а затем скатываясь поступает в левую колонку. Остальная часть основного зерна сходом с гребенки 3 попадает на сплошную скатную доску 4 и поступает на следующую гребенку 3, часть основного зерна с мелкой примесью проходит в отверстия второй гребенки 3 и по боковому патрубку поступает в левую колонку. Сход со второй гребенки 3 поступает на сплошную скатную доску 4 третьей гребенки 3, часть основного зерна с мелкой примесью проходит в отверстия третьей гребенки 3 и поступает в левую колонку. А сход основного зерна с крупной примесью сходом поступает в правую колонку.
В результате движения основного зерна с мелкой примесью по гребенке 3 часть основного зерна с мелкой примесью, поступившая в левую колонку сначала поступает на сплошную скатную доску, а затем на гребенку 6. На гребенке 6 проходом выделяется мелкая примесь. Мелкая примесь, прошедшая через гребенку 6 поступает на дефлектор 5, скатываясь попадает в патрубок I для вывода проходовой мелкой фракции. Не прошедшее основного зерна с мелкой примесью сходом поступает на сплошную скатную доску второй гребенки 6, где меняет направление движения и скорость движения зернового материала падает. На второй гребенке 6 часть мелкой примеси проходит поступает на дефлектор 5, скатываясь поступает в патрубок I для вывода проходовой мелкой фракции. В патрубок II попадает сходовая средняя фракция основного зерна с гребенок 6.
Фракция основного зерна с крупной примесью по скатной доске поступает в правую колонку на сплошную скатную доску и меняет направление движения, а затем попадает на первую гребенку правой колонке. Часть основного зерна проходит в отверстия гребенки 7 поступает на дефлектор 5, скатываясь поступает в патрубок III для вывода проходовой средней фракции основного зерна с гребенок 7. Оставшееся основное зерно с крупными примесями сходом поступает на сплошную скатную доску при этом зерновой материал меняет направление движения и поступает на вторую гребенку 7 правой колонки, где часть основного зерна проходит в отверстия гребенки 7 поступает на дефлектор 5, скатываясь по нему попадает в патрубок III для вывода проходовой средней фракции основного зерна с гребенок 7. В патрубок IV попадает сход — крупная примесь с гребенок 7.