Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса очистки зерновых культур 8
1.1. Технологические характеристики рисового зернового материала, поступающего на очистку 8
1.2. Сепараторы рисового зернового материала и основные направления их совершенствования 16
1.3. Основные закономерности теорий сепарирования зерновых материалов 24
1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 35
2. Программа и методика проведения исследований гофрированных подсевных решет 38
2.1. Программа экспериментальных исследований 38
2.2. Описание экспериментальной установки 39
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 44
2.4. Методика обработки экспериментальных данных 45
2.5. Исследование закономерностей просеваемости компонентов рисового зернового материала на гофрированных подсевных решетах 47
2.6. Конструкция и изготовление гофрированных решет 50
3. Моделирование процесса сепарации рисового зернового материала на гофрированном подсевном решете с круглыми отверстиями 53
3.1. Выбор и обоснование метода моделирования процесса сепарации зернового материала на решетных сепараторах 53
3.2. Модель процесса сепарации зерна риса на решетах и ее особенности 56
3.3. Оценка эффективности процессе сепарации рисового зернового материала на гофрированных решетах 59
3.4, Определение размерных характеристик компонентов рисового зернового материала 61
3.5, Обоснование рациональной формы рабочей поверхности гофрированных подсевных решет с круглыми отверстиями 65
3.6. Построение моделей процесса сепарации рисоього зернового материала на гофрированном подсевном решете с круглыми отверстиями 74
4. Моделирование процесса сепарации рисового зернового материала на рынетных станах зерноочистительных машин
4.1. Определение рациональных параметров двухрешетного яруса подсевных гофрированных решет для очистки зерна риса 103
4.2. Оценка погрешностей математической модели процесса очистки зерна риса на двухрешетном ярусе 125
4.3. Определение закономерностей просевания компонентов рисового зернового материала по длине гофрированных подсевных решет 133
4.4. Моделирование процесса сепарации рисового зернового материала на двухъярусном решетном стане 141
4.5. Выводы 160
5. Сравнение эффективности сепарации рисового зернового материала на плоских пробивных и гофрированных подсевных решетах
5.1. Сравнительные исследования процесса сепарации рисового зернового материала на плоских пробивных и гофрированных подсевных решетах 164
5.2. Экономическая эффективность от применения гофрированных подсевных решет в воздушнорешетных машинах для очистки зерна риса 173
5.3. Выводы 178
6. Общие выводи и рекомендации по результатам исследований 179
Литература 184
Приложения
- Технологические характеристики рисового зернового материала, поступающего на очистку
- Исследование закономерностей просеваемости компонентов рисового зернового материала на гофрированных подсевных решетах
- Выбор и обоснование метода моделирования процесса сепарации зернового материала на решетных сепараторах
- Определение рациональных параметров двухрешетного яруса подсевных гофрированных решет для очистки зерна риса
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда KQCO в качестве одной из главных задач XI пятилетки предусмотрена разработка специальной продовольственной программы, направленной на обеспечение значительного увеличения производства сельскохозяйственной продукции для бесперебойного снабжения населения высококачественными и разнообразными продуктами питания /18/.
В реализации продовольственной программы на основе главных направлений интенсификации сельскохозяйственного производства,разработанных июльским (1978 г.) Пленумом ЦК КПСС большое значение имеет создание и выпуск законченных систем высокоэффективных машин и оборудования, позволяющих улучшить условия труда и повысить его производительность, обеспечить экономию материальных ресурсов при внедрении прогрессивных технологических процессов заготовки, приготовления кормов в животноводстве /72/.
Майский (1982 г.) Пленум ЦК КПСС одобрил разработанную Продовольственную программу СССР на период до 1990 года и наметил конкретные пути её реализации.
Производству риса в СССР уделяется большое внимание. Постановлениями мартовского (1965 г.), майского (1966 г.), мартовского (1980 г.) Пленумов ЦК КПСС была определена большая программа развития этой отрасли. В 1980 г. рис возделывали на площади 666 тыс. га, а урожайность зерна достигла в среднем по стране 41,9 ц с I га. Для Афганистана рис является основной зерновой культурой, занимающей 2-ое место после пшеницы.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" намечена крупная комплексная программа увеличения производства риса, а также предусмотрены ввод новых рисовых систем и реконструкция старых.
В связи с этим будут совершенствоваться техника и технология послеуборочной обработки, хранения и переработки риса - зерна, что дает возможность уменьшить потери зерна и увеличить выход рисовой крупы высоких сортов.
Одной из самых трудоемких операций при производстве зерна является его послеуборочная обработка и хранение. На послеуборочную обработку приходится 25...40% общих затрат, идущих на производство зерна. Для сокращения этих затрат необходимо научно организовать работу предприятий по послеуборочной обработке зерна риса, интенсифицировать отдельные технологические процессы.
Принимаемый от колхозов и совхозов рис - зерно должен соответствовать базисным и ограничительным кондициям. Анализ заготовляемого риса - зерна в последние 10 лет показал, что поступающее на элемеватор зерно на соответствует этим кондициям и это приводит к значительным материальным трудозатратам при дополнительной доочистки риса с целью доведения его до заготовляемых кондиций при сдаче на рисозаводы. Большое значение в решении поставленных задач имеет эффективная очистка риса - зерна от сорных и зерновых примесей.
Существующие машины первичной очистки зерна-риса, оснащенные в основном пневмосепараторами и плоскими пробивными решетами, не удовлетворяют современное сельскохозяйственное производство по количественным и качественным показателям и основным недостатком их работы является недостаточно эффективная сепарация зернового материала на решетных сепараторах.
Увеличение решетных площадей для обеспечения заданной эффективности сепарации (экстенсивный метод) приводит к увеличению габаритов зерноочистительных машин, энергоемкости процесса и имеет ограничения по удельным затратам на обработку.
Анализ современных тенденций развития конструкций воздушно-решетных зерноочистительных машин показывает, что дальнейшее повышение эффективности их работы и снижение удельных энергозатрат на очистку рисового зернового материала может быть достигнуто за счет интенсификации выполнения технологического процесса на решетных полотнах, особенно подсевных и повышения пневмосепарации.
Научные исследования, проводимые по этой проблеме в Ростов-ском-на-Дону институте сельскохозяйственного машиностроения привели к созданию новых решетных сепараторов со специальной рабочей поверхностью - гофрированные решета, которые положительно себя зарекомендовали при очистке зерна пшеницы, ячменя, ржи. Это послужило основанием для изыскания возможностей повышения эффективности сепарации рисового зернового материала.
В связи с этим целью настоящей работы является изучение технологического процесса очистки зерна риса и определение рациональных параметров гофрированных подсевных решет в решетных станах машин для его высокоэффективной первичной очистки.
Технологические характеристики рисового зернового материала, поступающего на очистку
В.П.Горячкин всегда указывал на необходимость изучения технологических свойств обрабатываемого материала, как фундамент для проектирования технологических процессов и расчета конструкции сельскохозяйственных машин.
Изучению физико-механических и технологических свойств зерна риса посвящены работы А.И.Апрода /10/, А.Н.Кониченко /91/, ЕЛ. Козьмина /53/, Л.И.Мачихина /116/, С.П.Писанко /93/, А.Г.Читико-ва /93/, В.Д.Бабченко /12/. В настоящее время достаточно полно изучены размерные характеристики риса, его натура, скорость витания, коэффициенты трения. Для некоторых сортов риса и отдельных компонентов его сорной и зерновой примесей эти данные представлены в табл. I.I и на рис. I.I - 1.3.
В настоящее время в СССР возделывается свыше 30 сортов риса, которые районированы в различных зонах возделывания. Из них шесть сортов возделываются на площади свыше 10000 гектаров каддая /114/. Эти сорта риса подразделяются на остистые, полуостистые и безостистые формы. Удельный вес остистых и полуостистых форм в общем балансе площадей ,занятых этой культурой в настоящее время составляет 24,1$ /96/.
Возделывание остистых сортов риса обусловлено высокой продуктивностью и качеством крупы этого сорта. Поскольку рис растет при длительном затоплении водой, то рисовое поле засоряется сорняками, для развития которых эти условия благоприятны /6, 7, 48, 54, 56, 82, 83, 87, 90, 91, 92, 120, 106/. Рисовые поля в СССР, по данным проф. И.С.Косенко, засоряются более 300 видов сорных растений. Технологические свойства различных сортов риса-зерна и Если на I уг посевов риса насчитывается 40...80 растений курмака, то урожай риса при этом снижается уже на 6 ц/га, а с дальнейшим увеличением засоренности - болве чем на половину. Снижение урожая происходит даже при нормальной густоте стояния риса, вследствие уменьшения кустистости, увеличения пустозерности и снижения других элементов,слагающих урожай.
Просо куриное - высокорослый (до I...2 м высотой) сильно кустящийся сорняк с мощно развитой корневой системой/б, 7, 48, 54, 74, 83, 87, 92, 106, 116, 117/ , колоски яйцевиднозаостренные, около 0,003 м длины. Колосковые чешуи несут ости. Цветочные чешуи голые, гладкие, блестящие. Зерна около 0,002 м длины и 0,0015 м ширины с небольшим зародышем у основания. Средний вес плодика 0,0024 г. По мере созревания семена осыпаются,сильно засоряя почву.
Просо рисовое /6, 74, 83, 87, 92/ - кустящийся однолетний сорняк с мощной корневой системой. Стебли 0,3...1,2 м длины.Со-цветие до 0,15 м длины. В посевах риса встречаются остистой и безостой формы. Семена созревают одновременное с рисом. Остистые формы осыпаются очень слабо и засоряют главным образом зерна риса. Семена имеют блину до 0,004 м, ширину до 0,0025 м и толщину до 0,002 м. Абсолютная масса семян 4...6 г. Просо крупноплодное (сжатое) /6, 74, 83, 87, 92/. По биологическим признакам во многом сходно с просом рисовым. Отличается от него более компактной метелкой, достигающей длины 0,2 м и крупными семенами. Масса 1000 зерен достигает 6...7 г. Колоски яйце-виднозаостренные, около 0,005 м длины, с остями. Плодки крупные (длина до 0,0056 м, ширина до 0,0025 м и толщина до 0,0019 м) созревают одновременно с рисом, почти не осыпаются и засоряют в основном зерно риса. Вследствии крупности и наличия остей семена этого сорняка на зерноочистительных машинах трудно отделяются от риса. В процессе уборки урожая формируется зерновая масса, состоящая из огромного количества отдельных зерен и примесей, каждое из которых в той или иной степени отличается от другого своими размерами, формой, весом и другими признаками. Исходный зерновой материал, получаемый после уборки урожая, представляет собой довольно сложную смесь семян основной культуры, зерновые примеси и сорных растений, а также примеси минерального и органического происхождения. Содержание компонентов в исходном материале в значительной мере зависит от чистоты семян, использованных для посева, многими биологическими, агротехническими, природно-климатическими, технологическими, организационно-хозяйственными, а также от условий уборки, обмолота и зачастую тесно взаимосвязанными между собой. Качества зерна риса, заготавляемого в различных зонах рисосеяния страны различны (табл. 1.3). В табл. 1.4 приведены данные, характеризующие фракционный состав рисового вороха (остистого и безостого сорта), полученного в рисосовхозе "Красноармейский" Краснодарского края /105/. Из этой таблицы видно, что количество семян сорняков в рисовом ворохе доходит до 6% или до 1640 штук на I кг семенной смеси. Засоренность бункерного зерна колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов. Таким образом все зерно после комбайновой уборки требует дальнейшей обработки: очистки, сушки и сортирования /31, 70, 100, 122, 123/. В этих условиях первичная очистка зерна является неотложной задачей послеуборочной обработки урожая.
Исследование закономерностей просеваемости компонентов рисового зернового материала на гофрированных подсевных решетах
Глубокое изучение технологии и рабочих процессов машин в сочетании с кибернетическими методами исследований (моделирование) представляет собой основу "системного подхода к решению наиболее широких научных проблем. Метод системного анализа исследуемых технологических процессов "включает оптимальное планирование эксперимента, разработку математической модели и просчитывание этих процессов на ЭЦВМ с целью их интенсификации путем выбора оптимальных условий, в которых протекает тот или иной процесс.
Функционирование сельскохозяйственной машины или ее рабочего элемента можно рассматривать, как реакцию на входные внешние возмущения и управляющие воздействия. При этом наиболее подходящей расчетной схемой любой машины независимо от ее назначения будет схема по принципу ""вход-выход". В качестве входных переменных принимаются все внешние возмущения"и управляющие воздействия, которые представляют собой "конкретные "физические величины, а входных переменных - совокупность"параметров, которые определяют качество работы машины или ее рабочего органа, энергетические и.технико-экономические ее показатели, прочностные свойства и др.
Такой подход к построению схемы функционирования сельскохозяйственной машины определяет; ее в виде динамической системы, осуществляющей преобразование входных возмущающих и управляющих воздействий в выходные. Отметим, что из переменности компонентов векторов модели сельсБРхазяйственных агрегатов являются, как правило, динамическими. При существенной идеализации условий функционирования агрегатов зачастую рассматривают упрощенные модели, полагая, что компоненты векторов являются неизменными. Эти модели будем называть статическими. Такие модели не могут с высокой достоверностью описывать функционирование системы при случайном воздействии входных возмущений и их нерационально использовать для управления системы. Однако они нашли широкое применение для анализа технологических процессов и выбора его рациональных параметров. Эти модели позволяют также анализировать функционирование различных компоновочных схем рабочих органов и машин, что является важным на стадиях проектирования машин.
"Планирование эксперимента" - это метод построения математических моделей различных управляемых процессов, позволяющий повысить производительность труда исследователей за счет значительного сокращения числа опытов, а стало быть времени и средств на проведение эксперимента /4, 5, 23, 71, 80, 81, 86, 95, 97, 113/. Обычные или "традиционные" методы исследования направлены на отыскание детерлинированной (однозначной) зависимости между интересующими нас параметрами и влияющими на них факторами. Такие методы исследований не позволяют выявить силу влияния каждого из факторов, оценить роль их взаимодействия и отыскать оптимальное сочетание действующих факторов. Главный недостаток традиционных методов заключается в том, что при исхэтедованиях не видно направления движения в поиске оптимальных условии протекания процессов, то есть эксперимент оказывается "пассивным" /5/. Недостатком является высокая стоимость изготовления экспериментальных машин /67, 79/. При создании сельскохозяйственной техники возникает необходимость длительного экспериментирования (от сезона к сезону), что в свою очередь связано с неоправданно большими затратами труда, времени и средств. Данная методика затрудняет создание оптимального варианта. Наконец, экспешшентирование с реальными машинами ограничивает возможность использования новых машин, когда отсутствуют опытные их образцы. При этом многие второстепенные факторы при работе машины в условиях нормального функционирования оказываются излишними на начальной стадии проектирования, так как они затемняют основной ход процесса при работе машины. Следует отметить, что отмеченные недостатки традиционных методов не дают оснований исключить их из практики исследовательской работы и считать пройденным этапом. В ряде случаев при изучении четко обозначенных детерминированных зависимостей или при проведении простых однофакторннх исследований или при определении каких-либо физических констант традиционные метлды оказываются даже полезными и они "всегда будут применяться. Только умелое сочетание новых и старых методов обеспечит возможность быстрого развития технического прогресса. При изучении сложных явлений или процессов, в ходе которых участвуют и взаимодействуют многие факторы и при изменяющихся условиях задача оптимизации этих процессов становится многофакторной, экстремальной, решать ее приходится при неполном знании самого механизма рассматриваемых явлений, неподдающихся описанию аналитическими методами. Успешное решение подобных задач может быть найдено при новом кибернетическом подходе, который предусматривает статистическое описание изучаемых явлений, основанное на результатах строгого эксперимента. Основной задачей планирования эксперимента является получение статистической математической модели объекта исследования в виде полинома (уравнения регрессии), обычно первой или второй степени. Планирование эксперимента позволяет значительно сократить число опытов без ущерба качеству информации, следовательно затраты и сроки проведения эксперимента и дает возможность получить качественные оценки влияния факторов, математические модели. Как показывает опыт отечественных и зарубежных работ, применение методов планирования эксперимента по сравнению с традиционными методами позволяет повысить эффективность научных исследований в 2...10 раз /5, 76, 80, 81, 99, ИЗ/. В настоящее время вторая часть всех прикладных работ, выполняемых в разных странах с использованием метода планирования эксперимента, приходится на долю СССР, где только за последние годы их было опубликовано около тысячи.
Выбор и обоснование метода моделирования процесса сепарации зернового материала на решетных сепараторах
Проведенные исследования"позволяют сделать следующие выводы: 1. Рациональная-форма-рабочей поверхности гофрированных подсевных решет для очистки рисового зернового материала определяется шагом 3 гофров и углом 2 4х наклона их стенок. Рациональная величина ушга 2 , для условий проведения эксперимента, НО0...130, рациональная величина шага гофров S =(d + 1,5) мм. С увеличением угла 2т больше рационального (до 150) эффективность сепарации снижается медленнее, чем при уменьшении этого угла (до 100). 2. Оценка влияния содержания курмака в исходном рисовом зерновом материале на"полноту:его просевания через гофрированное подсевное- решето показала, что"с 95%-ой доверительной вероятностью различия в полноте его"просевания для условий опыта незначимы. 3. Для описания процесса просевания основных компонентов рисового зернового материала через гофрированные подсевные решета с круглыми "на "просвет""отверстиями дискретной длины 300 мм, 790 мм, 990 мм построено 33-и регрессионных уравнений второго порядка ( см.табл. 3.10., 3.II) адекватно описывающие исследуемый процесс сепарации.- Для учета количественных характеристик размеров по ширине компонентов-рисового зернового материала, как случайных величин в вероятностно-статистическом плане, вместо размера диаметра отверстий решет,"введен как фактор, показатель Л » учиты-вающий вариацию--размеров компонентов по их ширине, это позволяет использовать построенные математические модели для анализа просевания через гофрированное подсевное решето учтенных компонентов с различными размерными характеристиками.
Для оценки величин средних скоростей перемещения центров масс основных компонентов рисового зернового материала по гофрированному подсевному решету, выполняющему процесс сепарации при различных подачах на него зернового материала, различных размеров диаметра отверстий и кинематики решета, построено 13 регрессионных моделей второго порядка адекватно описывающих рассматриваемый процесс. Найденные закономерности перемещения коглпонентов рисового зернового "материала по решету позволяют определять полноту и интенсивность их просевания по длине решет.
Определение рациональных параметров двухрешетного яруса подсевных гофрированных решет для очистки зерна риса
Ярус из 2-х подсевных решет является основной подгруппой /24, 73, 98/ решетных станов современных воздушнорешетных зерноочистительных машин. В различных- функциональных схемах решетных станов, используемых в зерноочистительных машинах, двухрешетные ярусы используются как отдельные модели с подачей зернового материала только на начало яруса (например в датской воздушнорешетной машине " WesWlp /1250м, семяочистительной машине фирмы Мег» ФРГ, марки "Ret(cc/S600n , семеочистительной машине К-547 фирмы fbr-LSulPtt ГДР и других), так как основные подгруппы классичес-кихх -двухярусных -решетных станов (например в воздушнорешетных машинах ЗВС-20А, СМ-40, ОВС-25 и других) загрузка которых осуществляется через верхний ярус зерновых решет (решета "Bj" и "Б2").
Анализ процесса сепарации зерновых материалов на 2-х решетном ярусе при различном способе их загрузки (с начала и через верхний ярус решет) показал достаточную близость показателей процесса сепарации. Исходя из этого, а также учитывая превуалирую-щую роль яруса подсевных решет в классическом 2-х ярусном решетном стане, необходимо оценить рациональные параметры функционирования двухрешетного яруса подсевных гофрированных решет для очистки зерна риса.
Используя известную методику /43/, в качестве критерия оптимизации принят "критерий 3 экономической оценки процесса сепарации, который приемлем для оценки функционирования решетных сепараторов при одном выходе очищенного зерна /30/.
Объектом оптимизации принят двухрешетный ярус подсевных гофрированных решет (рис.4.1) длиной каждое 990 мм (применительно к решетным станам воздушнорешетных машин класса ЗВС-20).
В качестве метода математического программирования принят метод сплошного поиска с ограничениями, в качестве которых приняты агропоказатели работы воздушнорешетных машин для очистки зерна риса /II,ИЗ/.
Для использования"критерия 2 » в качестве эталона принят ярус из 2-х плоских пробивных решет, используемых в воздушноре-шетной машине ЗВС-20, зерноочистительного агрегата ЗДР-5 при очистке зерна риса "Донской 62" (Протокол №104-68. Испытания зерноочистительного агрегата ЗАР-5 Южно-Украинская Государственная зональная МИС, г. Херсон, 1968).
Анализ показателей работы воздушнорешетных машин ЗВС-20 позволил определить "технологические показатели работы яруса плоских пробивных подсевных решет с рабочим размером отверстий 0 3,5 мм. ( Q = 1,058 кг/(м с) = 0,0182; CL = 0,726; I = 0,274 )
В качестве исходного зернового материала, поступающего на двухрешетный ярус гофрированных подсевных решет принят рисовый зерновой материал, содержащий основные компоненты, выделяемые подсевным ярусом решет /8, 73, 74, 91/ (табл. 4.1).
Определение рациональных параметров двухрешетного яруса подсевных гофрированных решет для очистки зерна риса
Для анализа различных функциональных схем решетных станов воздушнорешетных зерноочистительных машин с использованием исследуемых гофрированных подсевных решет необходимо оценить закономерности просевания основных компонентов зернового материала по длине решетного сепаратора.
Для условий равномерного распределения компонентов в зерновом материале, что присуще для превуалирующих условий работы решетных сепараторов без устройств для предварительного расслоения зерновых материалов, приемлемы известные закономерности просевания компонентов зернового материала по длине решетных сепараторов /43/, позволяющие для расширения анализа использовать построенные ранее регрессионные модели просевания компонентов на дискретной длине решетного сепаратора.
Количественная оценка просеваемости компонентов рисового зернового материала по длине решета проведена на гофрированном подсевном решете длиной 990 мм с диаметром отверстий 3,5 мм. Кинематические параметры решета соответствовали параметрам, используемым в серийных воздушнорешетных машинах ( П =7,167 кол/с, Я = 8 мм, 6 = 0). В качестве исходного зернового материала для исследований принято зерно риса "Кубань 3" урожая 1983 г., содержащее курмака 7,70$, дробленого зерна 5,04$, обрушенного зерна 7,82$, органических и минеральных примесей 2,06$, щуплого зерна 15,86$, семян сорных растений 0,39$. Чистота исходного зернового материала 61,13$, влажность 13,5$, плотность Т = = 507,23 кг/м3.
Методика проведения экспериментов изложена выше (см.раздел 2) пробы по длине решета брались при постоянной подаче Ц =1,544 кг/(мс ловторность опытов трехкратная. Усредненные экспериментальные показатели интенсивности просевания и просевания компонентов зернового материала по длине решета сведены в табл. 4.5 и представлены графически на рис.4.13. Для сравнительной оценки основных закономерностей просевания компонентов рисового зернового материала по длине рассматриваемого решета, используя известные закономерности /43/, разработан алгоритм счета по определению интенсивности и полноты просевания компонентов по длине решета. В качестве исходных данных использованы данные, использованные в эксперименте: содержание компонентов в зерновом материале, его плотность, подача зернового материала на решето, длина решета, размер отверстий решета и его кинематические параметры. Дискретная длина участка решета, на котором определяется просеваемость компонентов принята равной 0,1 м. V V-соответственно средняя и средневзвешенная по массе J -ых компонентов скорость перемещения центра масс І -го компонента на решете, У; определится из моделей табл. 3.12; С,,2- соответственно полнота просевания і -го компонен- та на длине решета Ц = 0,3 м и. La = 0,99 м и определится из моделей табл. 3.10, 3.II. Просчет показателей полноты (5.- (ч и интенсивности Та нросеваемости г -ых компонентов рисового зернового материала используя алгоритм (4.24...4.31) проведен на ЭВМ М-222. Результаты просчета сведены в табл. 4.5 и представлены графически на рис. 4.13. Для проверки гипотезы об адекватности описания математическими моделями (4.25...4.31) результатов эксперимента использовали F -критерий Фишера /50,58/. Расчетные величины дисперсий неадекватности математических моделей о и дисперсий воспроизводимости отштов и экспериментальные значения F -критерия для ин тегральных (5. и дифференциальных -ті кривых просеваемости .
