Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса сепарации зернового материала и задачи исследований 8
1.1. Разделение зернового материала на решетных сепарирующих органах 8
1.2. Анализ центробежно-решетного способа очистки зерна на сепараторах с вертикальной осью вращения 22
1.3. центробежные сепараторы с горизонтальной осью вращения 30
1.4. Центробежно-решетные сепараторы с пластинчатым барабаном и вертикальной осью вращения 38
1.5. Выводы и задачи исследований 43
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса сепарации зерновой смеси на цилиндрическом подсевном решете с вертикальной осью вращения 45
2.1. Описание технологической схемы центробежно-решетного сепаратора 45
2.2. Параметры, определяющие движение зернового материала между пластинами барабана 49
2.3. Параметры, определяющие движение зернового материала в активном слое 58
2.4. Уравнение процесса сепарации на подсевном цилиндрическом решете центробежно-решетного сепаратора 60
Выводы 75
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 77
3.1 Описание экспериментальной установки 78
3.2. Приборы и оборудование, применяемые при экспериментальных исследованиях 82
3.3. Характеристика зернового материала 83
3.4. Методика проведения опыта 85
3.5. Определение угла между вектором относительной скорости скольжения зерновой смеси в активном слое и горизонтом 94
3.7. Определение относительной просеваемости 96
3.8. Методика производственных испытаний экспериментального образца центробежно-решетного сепаратора с подсевным решетом и пластинчатым барабаном 98
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 100
4.1. Влияние кинематического режима на эффективность очистки зерна 100
4.2. Влияние угла наклона и шага расстановки пластин барабана на эффективность очистки зерна 102
4.3.Влияние удельной подачи зерновой смеси на полноту выделения мелких примесей 104
4.4. Влияние исходной засоренности зерновой смеси на показатели процесса сепарации 107
4.5. Влияние влажности исходного материала на процесс сепарации 108
4.6. Влияние диаметра отверстий решета на эффективность очистки и потери зерна в отходы ПО
4.7. Влияние толщины активного слоя на эффективность очистки зерна 111
4.8. Определение факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс сепарации 112
4.9. Результаты производственных испытаний центробежно-решетного сепаратора с подсевным блоком 119
ГЛАВА 5. Технико-экономическая оценка работы центробежно-решетного сепаратора с подсевным блоком 122
Общие выводы 129
Литература 131
Приложения 147
- Разделение зернового материала на решетных сепарирующих органах
- Описание технологической схемы центробежно-решетного сепаратора
- Приборы и оборудование, применяемые при экспериментальных исследованиях
- Влияние кинематического режима на эффективность очистки зерна
Введение к работе
Опыт передовых хозяйств показывает, что производство высококачественного зерна и семян является выгодным — уровень рентабельности не менее 40 %. В ближайшие годы можно прогнозировать рост спроса на новую технику для обработки и хранения зерна. Увеличение валовых сборов зерна и уменьшение удельных затрат на его производство возможно лишь путем разработки и внедрения высокоэффективных технологий и технических средств мирового уровня на основе концептуальных положений их развития.
Сельскому хозяйству России требуются десятки тысяч зерноочистительных машин, так в планах на 2008 год выйти на выпуск 15600 штук зерноочистительных машин в год [5]. Выпускаемые в стране машины уступают зарубежным по качеству изготовления и связанными с ним показателями надежности и долговечности, но они лучше приспособлены функционально к специфическим, более тяжелым условиям работы, обусловленным в ряде зон повышенной влажностью и засоренностью поступающего на обработку материала.
Первейшей необходимостью при приеме свежеубранного зерна является немедленная его очистка от сорных примесей и особенно опасного компонента — мелких. В связи с этим машины предварительной очистки должны обеспечивать интенсивное удаление сорных примесей с обязательным выделением мелких.
Как известно, лимитирующим рабочим органом зерноочистительной машины является подсевное решето, которое наиболее нагружено из-за сравнительно малого коэффициента живого сечения.
Имеющиеся машины предварительной очистки ЗД-10.000 и МПО-50 удовлетворяют требованиям при выделении только легких и крупных примесей. Другие машины, в основном плоскорешетные сепараторы, имеющие подсевные решета, малопроизводительны из-за низкой их удельной
5 производительности. Все разработки направленные на увеличение площади сепарирующей поверхности подсевных решет, бесперспективны. Поэтому необходимо изыскивать новые способы сепарирования, создавать новые рабочие органы для высокоэффективной очистки зерна от мелких примесей.
Наиболее перспективным направлением при создании рабочих органов машин для очистки зерна от мелких примесей при его предварительной очистке является центробежно-решетное сепарирование на цилиндрических решетах с круглыми отверстиями без использования вибраций.
В связи с этим разработка таких технических средств, интенсифицирующих процесс предварительной очистки зернового вороха, является актуальной научно-практической проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.
Выполненная работа представляет часть программы по теме "Разработка ворохоочистителя центробежно-решетного производительностью 50 т/ч для очистки зерна" согласно договора №52 от 04.01.2003 Главного управления сельского хозяйства администрации Алтайского края.
Научная гипотеза заключается в том, что интенсифицировать процесс сепарации на ротационном подсевном решете с вертикальной осью вращения можно за счет использования пластинчатого барабана.
В качестве объекта исследования исследовался процесс сепарации зерновой смеси на подсевном решете в центробежно-решетном сепараторе.
Предмет исследования - закономерности процесса сепарации на подсевном решете центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном.
Анализ современного состояния процесса сепарации на решетах различных конструкций, а также факторов влияющих на процесс, позволил выбрать наиболее перспективную конструкцию решета, основы которой были заложены в работах [114, 119].
Теоретические исследования позволили установить основные закономерности, протекающие в процессе сепарации на подсевном решете центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном. Разработана детерминированная математическая модель процесса движения зерновой смеси по цилиндрическому решету. Предложена вероятностная математическая модель, описывающая процесс сепарации на подсевном решете.
Экспериментальные исследования подтвердили основные теоретические положения работы.
На основе проведенных исследований спроектирован и изготовлен экспериментальный образец центробежно-решетного сепаратора с подсевным решетом, который прошел производственную проверку в 2005 году.
Основные материалы исследований и производственной проверки переданы в ОПКБ АНИИЗиС СО РАСХН, о чем свидетельствует акт внедрения научно-исследовательских работ.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
Результаты теоретических исследований процесса движения зерновой смеси по сепарирующей поверхности цилиндрического решета центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном и процесса сепарации на нем.
Параметры подсевного решета.
Основные экспериментальные закономерности процесса сепарации на подсевном решете центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном, подтверждающие теоретические предпосылки.
Основные результаты исследований были доложены и одобрены на научно-практических конференциях Алтайского государственного аграрного университета (2002-2005), на расширенном заседании лаборатории обработки, хранения и переработки зерна ГНУ СибИМЭ.
По теме диссертационной работы опубликовано десять печатных работ.
Диссертация изложена на 150 страницах основного текста, содержащей 48 рисунков, 11 таблиц, 5 приложений. Список использованной литературы включает 150 наименований, из них 5 на иностранных языках.
Работа выполнена в Алтайском государственном аграрном г университете.
7 Автор выражает глубокую благодарность и признательность кандидатам технических наук, доцентам кафедры сельскохозяйственных машин Алтайского государственного аграрного университета Тарасову Борису Трофимовичу и Стрикунову Николаю Ивановичу за оказанную ими методическую помощь и консультации при выполнении данной работы.
Разделение зернового материала на решетных сепарирующих органах
Условия выделения мелких частиц (прохода) на зерновых, разгрузочных, подсевных и сортировальных решетах неодинаковы. Сквозь отверстия зерновых решет должны пройти все зерна основной культуры, сходом идут только крупные примеси и, следовательно, зерновое решето загружается главным образом проходовыми частицами. В начале зернового решета зерна движутся по поверхности слоем толщиной в несколько зерен; решето работает в условиях полной загрузки. Середина решета работает при неполной загрузке, семена располагаются слоем, толщиной в одно зерно; в конце решета по его поверхности перемещаются только крупные, сходовые частицы.
Сквозь отверстия подсевных решет должны пройти мелкие примеси, в основном семена сорняков, которые составляют относительно небольшую часть семян, поступающих на решето. Загрузка конца подсевного решета не намного меньше, чем его начала; обычно все подсевное решето работает в условиях полной загрузки.
Интенсивность выделения частиц мелкой фракции уменьшается по длине решета. В начале под решето проходит большая часть частиц, размеры которых намного меньше рабочего размера отверстий, затем проходят более крупные. Это обстоятельство является одной из причин уменьшения интенсивности прохода частиц мелкой фракции.
В условиях полной загрузки рабочий процесс выделения мелкой фракции осуществляется в два этапа: сначала мелкие частицы проходят сквозь слой к рабочей поверхности решета, затем, войдя в контакт с поверхностью и двигаясь относительно нее, проходят в отверстия решета. Время прохождения частиц через слой зависит от толщины слоя и его разрыхленности. Чем быстрее частицы пройдут сквозь слой к поверхности решета, тем больше вероятность выделения их в проход.
На процесс прохода семян в отверстия решет оказывают влияние: нагрузка на решето, гранулометрический состав обрабатываемого материала и его физико-механические свойства, размеры решета, соотношение размеров отверстий и частиц, кинематические параметры движения решета и другие факторы.
Рабочий процесс сепарации при очистке или сортировании семян изучен недостаточно полно, а теория просеваемости в законченном виде отсутствует. В той или иной мере экспериментально изучены и теоретически разработаны отдельные вопросы сепарации сыпучих тел.
Изучению сущности процесса сепарации посвящены работы Горячкина В.П. [53, 54], Летошнева М.Н. [81], Терскова Г.Д. [123], Гортинского В.В. [51], Цециновского В.М. [134], Ямпилова С.С. [144, 145], Тица З.Л. [125], Непомнящего Е.А. [89, 90], Тулькибаева М.А. [128], Богомолова М.Н. [35], Тарасова Б.Т. [120] и др.
Горячкин В.П. в своих теоретических исследованиях связал интенсивность прохождения зерна через отверстия решета (рис. 1.1) с относительной скоростью частицы, размерами отверстий и размерами самой частицы [53]. V (l-ri/f, (1.1) V2r где 1- длина продолговатого отверстия, м; г- радиус проходовой частицы шарообразной формы, м; g- ускорение свободного падения, м/с . Богомолов М.Н. и Гортинский В.В. [35] теоретически и экспериментально исследовали влияние удара просеиваемых частиц о кромку отверстия решета на эффективность сепарирования. Для проверки соответствия теоретических зависимостей была создана экспериментальная установка, конструкция которой позволяла моделировать процесс просеивания отдельных частиц через отверстие, изменять и измерять все основные параметры процесса, а также материал и форму противоположной стороны отверстия. 1-г \У. г ] 1 ч / ч U- V/A V ! J % 1 Рисунок 1.1 - Прохождение частицы шарообразной формы через
отверстие решета Тулькибаев М.А. [128], рассматривая зависимость интенсивности просеивания частиц сыпучего материала от скорости их перемещения и геометрических параметров, приходит к выводу, что глобальный максимум (рис. 1.2) интенсивности просеивания достигается при длине отверстия и скорости движения частиц, равных бесконечности, и при значении угла наклона отверстия, равном нулю. В точке «В», соответствующей скорости V2, частица касается нижней передней кромки, и в этот момент интенсивность просеивания частиц имеет максимальное значение. Если скорость частицы больше чем скорость V2, то начинается просеивание с ударом о переднюю стенку отверстия, т.е. интенсивность просеивания уменьшается, и при некотором предельном значении Уз просеивание прекратится. Уз V Пк
Рисунок 1.2 - Зависимость интенсивности просеивания частицы от скорости ее движения [128] Летошнев М.Н. развил теорию сепарации зерна на решете, рассмотрев процесс разделения зерновой смеси на плоском решете как случайный. Согласно его методу вероятность прохождения частицы сквозь заданное отверстие определяется как отношение площади отверстия, в зоне которого частица может пройти в него к площади всего отверстия [81].
В работе [118] установлено влияние направленности колебаний плоского решета на просеваемость исходя из предпосылок, что наилучшего эффекта разделения можно достигнуть на решетах с круглыми отверстиями при относительном движении с подбрасыванием, а на решетах с продолговатыми отверстиями - при относительном движении без подбрасывания
Решая теоретически вопрос о пропускной способности и полноте разделения на решетах с круглыми отверстиями, были получены следующие уравнения в условиях полной нагрузки [123]:
Описание технологической схемы центробежно-решетного сепаратора
Проведенные исследования [114] показывают на возможность выделения мелких примесей на подсевном решете центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном. Это дает возможность разработки сепаратора, включающего в себя подсевной и зерновой блоки, а также систему воздушной очистки зерна (см.рис.2.1).
Технологически процесс сепарации зерновой смеси в центробежно-решетном сепараторе протекает следующим образом: зерновая смесь после очистки в воздушной системе (на рисунке условно не показанной) подается в неподвижную загрузочную горловину 1, имеющую роликовую опору 3 где коническим питателем зерновая смесь отбрасывается на внутреннюю поверхность делительного решета 8, и далее движется вниз, при этом зерна просеиваются через отверстия решета. Коническое делительное решето 8 разделяет зерновой материал на две фракции. Длинные и крупные примеси, а также посторонние предметы, находящиеся в зерновом материале задерживаются. Сход с делительного решета 8 поступает на внутреннюю поверхность, цилиндрического щелевого решета (см.рис 2.3), образованного пластинчатыми полками 19 пластин подсевной секции 11 пластинчатого барабана 10, выполненного двухсекционным (подсевная и зерновая секции), а проход - подается на ступени 6, конической обечайки 2, подвергается диспергации и после прохождения гасителей окружной скорости 7, служащих также для стабилизации скоростного режима, подается в пространство между пластинчатым барабаном 10 и цилиндрическим подсевным решетом 9. Благодаря предварительному расслоению зер новой смеси длинные примеси и посторонние предметы не вступают в контакт с подсевным решетом 9, что повышает не только пропускную способность, но и качество очистки. Посторонние предметы идут сходом с цилиндрического щелевого решета, образованного пластинчатыми полками 19 пластин подсевной секции 11 секции и благодаря эластичному кольцу 21 попадают в приемник крупной фракции 24. При этом ширина щели А щелевого решета меньше толщины активного слоя Ид. Решета и барабан вращаются в одну сторону, но с разными скоростями — = 0,57 благодаря приводу 18. В кольцевом слое материала Ьд между цилиндрическим подсевным решетом 9 и пластинами подсевной сек \ ции 11 происходит относительное скольжение элементарных концентрических слоев. Эти слои образуют общий активный слой, в котором под действием центробежных сил происходит сегрегация зерновой смеси.
Мелкие примеси проходят сквозь концентрические слои как сквозь решето, и, попадая на подсевное решето 9, проходят через его отверстия, чему способствуют пластины подсевной секции 11, имеющие угол наклона /?/ (см.рис.2.2) относительно радиуса в сторону вращения. Далее мелкие примеси попадают в приемник мелкой фракции 23, где скребками 26, выводятся по патрубку 32 из сепаратора. Зерно, очищенное от мелких примесей поступает в пространство между зерновым решетом 15 и пластинами зерновой секции 12, где оно также подвергается расслоению вследствие относительного скольжения концентрических слоев. Длинные частицы под действием трения в активном слое укладываются «плашмя» на зерновое решето. Скольжение зерновой смеси относительно поверхности решета дает возможность зернам основной культуры проходить через отверстия решета, этому способствуют центробежные силы. Очищенное зерно, прошедшее сквозь отверстия зернового решета, поступает в приемник очищенного зерна 25 и скребками 26 через патрубок 34 выводится из машины. Длинные примеси остаются на поверхности зернового решета 15 и спиралью 16 непрерывно транспортируются из-под кольцевого слоя материала в осевом направлении через кольцевой зазор между зерновым решетом 15 и кольцевой щеткой 13 в приемник крупной фракции 24, откуда скребками 27 выбрасываются в патрубок 33 вместе с посторонними предметами и грубыми примесями. При рассмотрении подсевного решета мы исключили колосовое решето, оказывающее положительное влияние только на второй зерновой блок, поставив ограничительную цилиндрическую поверхность.
Приборы и оборудование, применяемые при экспериментальных исследованиях
Частота вращения решета определялась с помощью цифрового тахометра ЦАТ-2М, позволяющего измерять частоту в пределах от 10 до 10000 об/мин. Время опыта замерялось с помощью цифрового секундомера. В опытах мощность регистрировалась с помощью измерительного комплекса К-50. Взвешивание проходовой фракции, а также определение массы 1000 зерен осуществлялось на лабораторных электронных весах MW-300T с точностью измерения 0,01 г.
Для определения влажности зернового материала использовался прибор - экспресс-анализатор спектрофотомер диффузорного отражения инфракрасный "Спектран ИТ", принцип работы которого основан на корреляции между ИК-спектром диффузного отражения и содержанием анализируемого компонента. Погрешность измерения не превышала 0,2 %.
Объемный вес зернового материала определялся при помощи литровой пурки ПХ-І.
Угол внутреннего трения определялся по углу естественного откоса, который формировался способом насыпания [125]. Угол внешнего трения зернового материала по оцинкованному железу определялся прибором Желиговского В.А., а угол трения по решету определяли согласно методике предложенной Ворошиловым А.И. [42].
Для исследований использовалась пшеница сорта Алтайская 325 урожая 2002 года, обмолоченная на лабораторной установке. Для удаления легких примесей зерно обрабатывалась на лабораторном пневмоклассификаторе, крупные примеси были удалены с помощью лабораторных решет.
Нами было установлено из литературных источников и собственных расчетов [121], что максимальный размер пор при сепарации пшеницы равен 2,5 мм, поэтому было решено основные эксперименты провести в максимально сложных условиях при выделении сурепки с эффективным диаметром 2,5 мм.
В качестве засорителя зерна использовались сурепка и щирица (проход решета d=2,5 мм сход d=2,0 мм). Засоренность исходной зерновой смеси изменялось от 2 до 8 % по весу.
При влажности 14 %: объемная масса зерна составляла 750 г/л, масса 1000 зерен- 35,5 г, угол естественного откоса- 35, угол трения зерна по оцинкованному железу- 182б . всему зерновому материалу достигалась выдерживанием в течении 48 часов, перемешивание материала производилось каждые 12 часов.
Порядок проведения экспериментальных исследований в каждом случае оставался одним и тем же и заключался в следующем: 1. На экспериментальной установке устанавливались заданное значение исследуемого и фиксированные значение остальных параметров. 2. Подготавливалась исходная зерновая смесь массой 50 кг. 3. Под откидные лотки ставились емкости (по две на каждый из двух лотков). 4. Включалась установка и открывалась на необходимую величину шиберная заслонка для обеспечения заданной подачи материала, происходил процесс сепарации (см.рис. 3.6). 5. При установившемся режиме, через 5-8 секунд после пуска, производился одновременный поворот откидных лотков и пробоотборника, зерновой материал (сход и проход) поступал в отдельные контрольные емкости. При повороте лотков замыкалась электрическая цепь, и включался-выключался электронный секундомер. 6. По истечении 6-10 секунд установившегося режима работы сепаратора, чему соответствует время сепарации 50% подготовленной смеси, лотки ставились в первоначальное положение, при этом размыкалась электрическая цепь в электронном секундомере. Закрывалась заслонка бункера, и выключался привод установки. 7. Производилось взвешивание материала из каждой контрольной емкости. 8. Проходовая фракция подвергалась сепарации на плоском решете с отверстиями диаметром 2,5 мм для определения потерь зерна в отходы.
Влияние кинематического режима на эффективность очистки зерна
Исследования процесса очистки зерна от мелких примесей, проводились на лабораторной установке описанной в разделе 3.1.
Первым этапом исследования явилось проведение предварительных опытов с целью определения влияния отдельных факторов на процесс разделения.
Одним из основных факторов, оказывающих влияние на работу центробежных решет, является кинематический режим. В центробежно-решетном сепараторе редуктор обеспечивает разность скоростей вращения пластинчатого барабана и решета, причем — = 0,57 и оставалась постоянным при проведении всех опытов.
Поэтому при проведении опытов производилось изменение окружной скорости решета. Ранее проведенными исследованиями установлены рабочие окружные скорости 3,0...3,5 м/с при диаметре цилиндрического решета Dp= 0,6 м [114].
Нами были приняты следующие пределы изменения угловой скорости от 14,3 до 16,16 с"1.
Характер зависимостей изменения эффективности очистки зерна и потерь зерна в отходы представлен на рисунке 4.1.
Из анализа результатов следует, что при увеличении угловой скорости до 15,79 с"1 рабочий процесс протекает устойчиво, эффективность очистки зерна возрастает. Однако в центробежных цилиндрических сепараторах с вертикальной осью вращения увеличение центробежной силы приводит к росту сил трения, а увеличение угловой скорости свыше 16,16 с"1 приводит к "заклиниванию" зерновой смеси, т.е. прекращению ее движения относительно сепарирующей поверхности. Поэтому наиболее приемлемыми угловыми скоростями являются скорости от 15,4 до 15,79 с 1. При угловой скорости решета менее 15,79 с"1 кинематический показатель работы пластинчатого барабана будет КБ \, что в свою очередь ведет к увеличению осевой скорости зерновой смеси между пластинами барабана, то есть время на сегрегацию зерновой смеси сокращается, которое является определяющим в процессе выделения мелких примесей на подсевном решете.
Теоретические исследования по обоснованию угла наклона пластин барабана показывают, что данный параметр оказывает существенное влияние на коэффициент трансформации силового давления, а следовательно и на процесс сепарации.
В лабораторных опытах диапазон изменения угла наклона пластин Д к радиусу изменялся от 0 до 45, а также устанавливались зависимости при отрицательных значениях угла Д относительно направления вращения решета.
Опыты показали, что при отрицательных значениях угла Д показатели эффективности процесса сепарации существенно ниже, чем в первом случае.
Увеличение угла наклона пластин барабана относительно радиуса от 0 до 22 приводит к снижению эффективности очистки зерна, а при увеличении от 22 до 45 к увеличению (см.рис.4.2). W=14 %; hA=10 мм; R=0,145 M; K=3,69; без спирали
Теоретические исследования и опытная проверка подтверждает, что с увеличением угла наклона пластин барабана возрастает давление зерновой смеси, находящейся между пластинами на активный слой.
Экспериментальные исследования по изменению шага расстановки пластин барабана показывают на резкое снижение эффективности очистки зерна при изменении его значения от 25,12 до 35 мм, при этом потери зерна в отходы имеют аналогичную зависимость представленную на рисунке 4.3.
Однако проведенные опыты показывают, что при увеличении шага расстановки пластин необходимо повысить подачу зерновой смеси для увеличения толщины зернового слоя между пластинами барабана, то есть необходимо, чтобы коэффициент трансформации силового давления оставался неизменным, который уменьшается с увеличением шага расстановки пластин.
