Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований ... 9
1.1. Анализ способов и технических средств приема, накопления и перевалки при переработке зерна 9
1.2. Анализ взаимосвязи качества исходного сырья с качеством конечного продукта
1.3. Анализ технических средств разделения зернового вороха... 15
1.3.1.Анализ технических средств решетного разделения зернового вороха 20
1.3.2.Анализ технических средств пневматического сепарирования зернового вороха 23
1.3.3.Айализ технологических средств триерной очистки зерна 25
1.4. Состояние исследований процессов сепарации сыпучих материалов 26
Выводы по главе 36
2. Теоретический анализ технологии вспомогательных операций при переработке гречихи 38
2.1. Теоретический анализ грузопотоков зерна и динамики его качества при его хранении 38
2.2. Обоснование решений по выбору состава и последовательности технологических операций 44
2.3. Метод обоснования требований к качеству перерабатываемого сырья 52
2.4. Теоретический анализ триерного отделения гречихи от примесей 58
Выводы по главе 74
3. Программа и методики экспериментальных исследований 75
3.1. Программа экспериментальных исследований 75
3.2. Методики исследований 76
3.2.1. Методика исследований трибометрических свойств зерна и крупы
3.2.2. Методика исследований триерной очистки зерна гречихи от примесей 81
3.2.3. Методика исследований триерной очистки продукта (ядрицы) от примесей 93
Выводы по главе 96
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований
4.1. Анализ темпов годового поступления гречихи на переработку 97
4.2. Результаты поисковых исследований качественных показателей очистки зерна и ядрицы при полидисперсной засоренности 99
4.3. Результаты исследований трибометрических свойств зерновок 112
4.4. Результаты исследований качества очистки гречихиот примесей П6
.5. Результаты исследований качества очистки ядрицы от примесей 123
4.6. Технологический расчет приемных и накопительных емкостей 131
4.7. Технологическая и экономическая оценка результатов исследований 133
Выводы по главе 136
Общие выводы 138
Список использованных источников 140
Приложения 151
- Анализ способов и технических средств приема, накопления и перевалки при переработке зерна
- Теоретический анализ грузопотоков зерна и динамики его качества при его хранении
- Программа экспериментальных исследований
- Анализ темпов годового поступления гречихи на переработку
Введение к работе
До недавнего времени в России наблюдался дефицит гречневой крупы. Для исправления этой ситуации предприятия различных отраслей промышленности приступили к разработке и производству технологических линий по переработке гречихи в крупу в малых объемах. Однако у большинства таких предприятий из-за недостатка опыта создания подобной техники стали возникать проблемы, связанные с высокими эксплуатационными затратами при производстве крупы, низким выходом продукта и недостаточным его качеством по причине сильной засоренности исходного сырья.
У поступающих на переработку партий гречихи средний уровень засо-ь ренности составляет 10%, а максимальный достигает 40%. Такое сырье гре-чезаводы не принимают на переработку, так как из него нельзя получить товарную крупу. В то же время малые перерабатывающие производства, зачастую, не имеют оборудования для подработки зернового вороха. Очистка основным оборудованием технологической линии переработки гречихи за счет аспирационной системы и разделения компонентов зерновой смеси на решетных станах не позволяет гарантировать качество конечного продукта на уровне действующего стандарта.
Включение дополнительных средств очистки зерна и крупы в состав * технологических линий переработки гречихи связано с рядом технических, технологических, организационно-экономических ограничений, требующих обоснованной базы данных для принятия решений по их реконструкции и модернизации. Создание научной базы для принятия указанных решений со ставляет одну из задач исследований, результаты которых представлены в настоящей работе.
Анализ технологий малотоннажной переработки гречихи показал, что резервы повышения их эффективности в большой степени связны с процессами очистки исходного сырья. Однако изученность этого процесса явно не- достаточна. Большинство исследований проводились на зерновых смесях с малой степенью засоренности относительно фактического уровня качества зерна, производимого в последние годы. Практически отсутствуют знания по очистке продукта, а в этом есть необходимость при высокой засоренности сырья. Поэтому необходимо расширить базу знаний по процессам выделения v примесей из сырья гречихи и продуктов его переработки. Необходимо также решать задачи временного хранения и резервирования производства по оперативным запасам исходного сырья.
Учитывая вышесказанное, необходима научная основа для проектирования и эффективного использования перерабатывающих линий. Кроме того необходима база данных для расчета цен за услуги по переработке, с учетом затрат на временное хранение и дополнительную очистку сырья дифференцировано по уровням его засоренности и используемым вариантам технологий подработки сырья.
Актуальность задачи оптимизации вспомогательных операций при переработке гречихи и состояние исследований процессов сепарации предопределили цель исследований: повышение эффективности использования линии переработки гречихи за счет оптимизагщи состава и обеспечения качества вспомогательных технологических npoijeccoe.
Исследования проводились по программе НИР Российской академии сельскохозяйственных наук (задание 01.02) в государственном научном учреждении ВИИТиН и Мичуринском государственном аграрном университете в 2002 - 2005 г.г.
На защиту выносятся: - способ подачи разделяемых компонентов в полость цилиндра, обес печивающий возможность получения объективных закономерностей для сравнительной оценки режимов работы и параметров сепарирую щих устройств; - экономико-математические модели оптимизации хранения и пере валки зерна гречихи с повышенной засоренностью; математическая модель оптимизации процессов дополнительной очистки сырья (продукта) при вариантных технологических условиях; - теоретические закономерности процесса триерной сепарации гречи хи с учетом формы, размеров зерновки, вариантов ориентации в ячее, условий выпадения из нее и диапазоны углов подъема зерновок; - экспериментальные закономерности изменения качественных показа телей триерной очистки гречихи и крупы от конструктивно-режимных параметров; - новое сочетание физических эффектов разделения зерновых смесей и техническое средство для их реализации.
Анализ способов и технических средств приема, накопления и перевалки при переработке зерна
Поставка исходного сырья на переработку осуществляется в мешках, а также россыпью в самосвалах и других транспортных средствах, В первом случае необходимы операции ручной разгрузки мешков с машины, переноса, взвешивания, складирования и последующей подачи на переработку. Во втором случае обеспечивается возможность механизации операций приема, накопления и перевалки зерна с использованием традиционных технических средств: автомобилеподъемников, завальных ям, зернопогрузчиков и т.д.
Сырье может временно храниться напольно или в бункерах. При напольном хранении зерно размещают насыпью или в таре на полу склада при высоте слоя не более 4 м в зависимости от влажности и засоренности, которые определяют сохранность зерна и его потери при хранении /60/. В этом случае зерновая масса соприкасается с наружным воздухом и при проветривании складов от зерна частично отбирается тепло и влага. Это дает возможность сохранять некоторое время зерно с повышенной влажностью без активного вентилирования, располагая его в складе тонким слоем (не более 1 М). Однако зернохранилища с напольным способом хранения имеют существенный недостаток — малый коэффициент использования объема здания и, в связи с этим, повышенную стоимость. Такие зернохранилища трудно механизировать.
Зерно в бункерах мало соприкасается с атмосферным воздухом, поэтому оно аэрируется незначительно. В бункерах размещают, как правило, сухое зерно. Зерно с повышенной влажностью можно кратковременно хранить при условии, что бункер оборудован установкой для активного вентилирования, а само зерно прошло послеуборочное дозревание. Технологический объем при хранении зерна в силосах используется намного лучше, чем при напольном хранении, проще и дешевле механизировать трудоемкие работы. Для сооружения бункерного хранилища требуются дорогостоящие и зачастую удаленные от места строительства материалы. Однако затраты на сооружение бункерного хранилища быстро окупаются в результате более высокой производительности труда и низких издержек по эксплуатации.
Под перевалкой понимают перемещение груза от одного технического средства к другому. Различают следующие виды перемещения: вертикальное (вверх и вниз), горизонтальное, под углом к горизонту. Способы перевалки делятся на механизированные и немеханизированные. К последним относится перемещение грузов вручную.
Наиболее простым является перемещение зерна самотеком под действием собственной силы тяжести. Здесь характерным показателем является коэффициент трения материала самотечных устройств. Недостатком этого способа перемещения зерна является то, что угол наклона к горизонту у течек и зернопроводов, по которым движется зерно, должен быть (25...40), вследствие чего увеличиваются габариты производственного помещения.
К механизированным средствам перевалки относятся различные виды транспортеров. Для вертикального транспортирования зерна вверх наиболее эффективны нории. При перемещении зерна под углом ленточные транспортеры более предпочтительны по сравнению со шнековыми и скребковыми, так как не травмируют зерно при движении. В то же время по техническому исполнению они сложнее вибротранспортеров и самотечных устройств, а по сравнению с пневмотранспортерами имеют ряд технологических и технических ограничений (по высоте подачи материала, объемной компановке, загрязнению и потерям продукта в процессе транспортирования) /18,27,56,65,69/.
Пневмотранспортеры в настоящее время являются одним из самых перспективных видов транспортирования сыпучих материалов. Основное преимущество их применения заключается в возможности полного обеспечения комплексной механизации и автоматизации перевалочных. Кроме того, пневмотранспорт исключает потери груза при транспортировании, улучшает санитарно-гигиенические условия работы и техники безопасности, обеспечивает возможность сочетать процесс транспортирования зерна с рядом других технологических операций (сушка, охлаждение, очистка от примесей и т.д.). Широкое распространение на зерноперерабатывающих линиях получили также вибрационные транспортеры. Они достаточно эффективны в использовании, не травмируют зерно, позволяют одновременно с транспортированием осуществлять очистку и подогрев зерна/103,122/.
С учетом вышеизложенного, на зерноперерабатывающих предприятиях и технологических линиях по переработке зерна в качестве основных техно / логических средств приема, накопления и перевалки сырья предпочтительно применять завальные ямы, бункера, нории, вибрационные и пневматические транспортеры, а также самотечные устройства.
Теоретический анализ грузопотоков зерна и динамики его качества при его хранении
С целью конкретизации графика организации работ необходимо определить дату включения линии в работу в начальный период сезонной поставки сырья на переработку из условия ее эффективного использования по суточной загрузке.Для включения линии на полную мощность должно выполняться условие: MC WH КТ Кем ТСМ} (2.1) где Мс - масса среднесуточных поступлений сырья, т; WH - номинальная производительность линии, т/ч; Ксм - коэффициент сменности; Кт - коэффициент использования времени суток (смены); Тем - продолжительность смены, ч. Масса накопленного зерна гречихи (Мн max) за осенне-зимний период (наиболее напряженный по темпам поступлений гречихи) будет определяться по формуле: MHmax= MSM) - WC(TKC - АТЗ (MC WC)), (2.2) где Мн max - максимальная масса накопленного зерна за сентябрь-декабрь, т; Му/,_4) - суммарное поступление зерна на переработку за сентябрь-декабрь, т; ТКс - календарная продолжительность поступления зерна на переработку в сентябре-декабре от даты первой поставки, сут; Д Тз - календарное время задержки включения линии в работу в период поступления сырья, сут; ТҐМ w \ - календарный срок снижения темпов суточного поступления зерна на переработку (меньше суточной производительности линии), сут; Wc - среднесуточная производительность линии, т/сут. Величина ДТ3 определяется по формуле: АТ3 = ТКМ + ТК0, (2.3) где Ткм - календарные дни поступления зерна до накопления объема, равного суточной производительности, сут; Тко - календарные дни без завоза сырья в период, предшествующий пуску линии в работу, сут. Резервный объем хранилища и накопительных емкостей для оперативного хранения будет VH-bVXP=MHmax/p, (2.4) где VH — объем накопительных емкостей для оперативного хранения, м ; VXP - объем хранилища (склада), м3; р - средневзвешенная величина насыпной плотности сырья, которая определяется по формуле: P = EPiMi/ME , (2.5) і=1 где pi — насыпная плотность і - ой партии сырья, поступившей на переработку, т/м3; Mj - масса і - ой партии сырья, т; Ms - суммарная масса сырья, т; п - число, принятых на переработку, партий сырья. Хранение зерна в течение продолжительного периода связано с неизбежными потерями, величина которых зависит от условий и продолжительности хранения. Так как каждая партия зерна, поступившая на склад, хранится в течение некоторого промежутка времени требуется дифференциация оценки величины потерь. Для этого принимаем следующие обоснованные допущения: - процесс накопления сырья является непрерывно возрастающим от начала включения линии в работу до накопления массы (MHmax ) за период времени (Тн), который определяется по формуле.
По мере поступления зерна в этот период линия работает со среднесуточной производительностью ( Wc ) в течение времени (Ткс ) Поэтому масса хранимого на складе сырья в этот период времени будет MxP=MZ(1„4)-WCKt, (2.8) где WCK- среднесуточная календарная производительность линии, т/сут. После накопления на складе максимального количества зерна (МПшах), когда темпы его поступления падают (Мс Wc ), начинается разгрузка склада. А величина хранимого зерна в период времени разгрузки (ТР) склада описывается функцией: MffXP=MHmax+MCKTp-Wc(tKCnp)J (2.9) где Тр - время (календарное) разгрузки склада, сут; t - время (календарное) использование линии с момента 1-ой поставки сырья, сут; ТПР — продолжительность простоя линии (праздничные и выходные дни, по техническим причинам) с момента начала разгрузки склада, сут; Мск — среднесуточное (календарное) поступление зерна на переработку с момента начала разгрузки склада, т/сут. С учетом (2.7) зависимость (2.8) примет следующий вид: МХР = 1/(-4,4133 10_3&it + 40,377 10_6t + 0,0174) - WCKt. (2.10) Уравнение (2.10) является непрерывной функцией по времени. В любой момент времени на складе находится некоторое количество зерна с продолжительностью хранения (txp). При элементарном приращении массы складского зерна dMxp= [1/(-4,4133-Ю-3bt + 40,377-10-61 +0,0174)-WCKt] dt (2.11) суммарная масса хранимого зерна на складе, накопленная за календарный срок (ТКс), будет т МХР = J [1/(-4,4133 10_3ітл + 40,377 10"61 + 0,0174)- WCK]dt (2.12) Средневзвешенную продолжительность хранения зерна можно определить по положению геометрического центра тяжести площади, ограниченной функцией Mxp(t) и осью координат (t) за вычетом непрерывно перерабатываемой массы зерна (рис. 2.1). Изменение на участке времени (Ткс) близко к линейному, т.е. можно допустить, что продолжительность хранения зерна массой (М ХР) будет равна 2/3 Ткс. А на участке времени (Тр) продолжительность хранения массы зерна (МХР ) составит Ткс + 1/3 Тр
Анализ формулы (2.19) показывает, что доля суточных потерь массы хранимого зерна очень мала. Однако длительность настоящего дефляционного периода на рынке требует продолжительности хранения зерна в некоторых хозяйствах в течение двух и более лет. Поэтому потери зерна при хранении достигают существенных величин, которые необходимо учитывать при разработке технологий его переработки.
Хранение зерна на складе предусматривает перевалочные работы с использованием различных типов транспортеров, ходовые части которых дробят, обрушивают и травмируют зерно. При этом суммарные потери зерна согласно экспертных оценок составят Пп2 =4,8Л0-3(М Хр2 +M XPz). (2.20)
Все слагаемые потерь (отрицательных технологических эффектов), обусловленные хранением зерна, учитываются при выборе рационального вари 44 анта технологии переработки зерна по производительности, объемам складских помещений и возможностям механизации вспомогательных операций,
Программа экспериментальных исследований
Программа исследований в соответствии с поставленными задачами включает следующие этапы работ: - разработать методику экспериментальных исследований; - подготовить навески смеси ядрицы и зерна гречихи с овсом - наиболее трудноотделимым засорителем; „ - подготовить к работе сушильный шкаф для определения влажности исследуемых материалов и электронные весы для взвешивания проб; - разработать и изготовить прибор для определения положения триерного цилиндра; - разработать и изготовить экспериментальную триерную установку; - разработать и изготовить прибор для определения коэффициента силы трения покоя зерна и примесей; {J подготовить формы регистрации экспериментальных данных; - провести поисковые эксперименты; - уточнить методики исследований, составы факторов, диапазоны и интервалы их варьирования по результатам поисковых экспериментов; - реализовать план основных экспериментов в соответствии с методиками исследований, обработать и систематизировать результаты эксперимента; - проверить результаты эксперимента в реальных условиях эксплуата ции. 3.2. Методики исследований
До проведения опытов отбирались пробы для определения физико-механических свойств исследуемых материалов (насыпная плотность, влажность, коэффициент внутреннего трения и коэффициент силы трения покоя).
Насыпная плотность и влажность проб определялись по стандартным методикам согласно ГОСТ 10840-64 и ГОСТ 13586.5-85.
Для определения коэффициента внутреннего трения по рекомендации авторов работ /39, 81/ было изготовлено и использовано устройство, общий вид которого представлен на (рис.3.1). Это устройство представляет собой плоскость 1, горизонтальное положение которой регулируется стойками 2 при помощи жидкостного уровня. В центре плоскости расположена втулка 5, в которой перемещается стержень 4 с диском 3 диаметром 150 мм. Для поднятия диска на определенную высоту служит рукоятка 7. На диск 3, который должен находиться в нижнем положении, насыпают исследуемый материал с избытком. Далее вращением рукоятки 7 поднимают диск 3 на определенную высоту так, чтобы он полностью вышел из слоя материала. В результате этого на диске 3 формируется объем материала конусообразной формы.
Литературный обзор /40, 53, 106/ приборов, предназначенных для определения внешнего угла трения, выявил следующие их недостатки. При определении угла они дают значительный разброс результатов измерений из-за влияния случайных факторов - частицы исследуемого материала, находящиеся в нижнем слое, скользят по поверхности трения, перекатываются по ней или поворачиваются вокруг вертикальной оси в начальный момент движения. Причем при повторном измерении размещение частиц в нижнем слое относительно направления движения воспроизводиться не может.
Нами был разработан и изготовлен новый прибор для определения коэффициента силы трения покоя, представленный на (рис.3.2 и 3.3). Он содержит платформу 1, шарнирно закрепленную на станине 2 со шкалой 3, перемещаемую коробку 4, заполненную вязко-пластичным материалом 5, тяговое устройство 6, опорный контур 7 с возможностью его регулирования по высоте посредством прокладок 8 и направляющих 9, размещенных на плите 10. В периферийном слое вязко-пластичного материала 5 размещены частицы 11 сыпучего материала. Перемещаемая коробка 4 связана с платформой 1 быстросъемным амортизирующим звеном 12, выполненного в виде пружины с ограничительным поводком.
Прибор для определения коэффициента силы трения покоя работает следующим образом. Открытую поверхность вязко-пластичного материала 5, размещенного внутри перемещаемой коробки 4, предварительно подогревают, а опорный контур 7 заполняют в один слой частицами 11 сыпучего материала. После подогрева вязко-пластичного материала 5 перемещаемую коробку 4 накладывают с усилием на опорный контур 7 по направляющим 9, Затем разогретой поверхности вязко-пластичного материала 5 дают остыть с целью полной релаксации структурных связей, что обеспечивает надежность фиксации частиц 11. Далее перемещаемую коробку 4 с частицами 11 кладут на поверхность платформы 1, шарнирно закрепленной на станине 2 со шкалой 3. Платформу 1 посредством тягового устройства 6 начинают медленно поднимать. В момент начала скольжения перемещаемой коробки 4 по платформе 1 фиксируют величину угла трения по шкале 3. Величину коэффициента силы трения покоя (/тр) определяют по известной его взаимосвязи с углом трения (фтр):
Анализ темпов годового поступления гречихи на переработку
На гистограммах (рис, 4.1, 4.2) представлен темп поступлений гречихи в осенне-зимний период, как наиболее напряженный. В период с сентября по декабрь включительно было принято 68% всех годовых поступлений.
Поступления после декабря месяца носят случайный характер, которые невозможно прогнозировать из-за сбыта сырья товаропроизводителем для покрытия долгов, неопределенности остатка после посевной, погодных условий и т.д. Поступления в октябре в 6 раз выше, чем в декабре, то есть в конце года масса гречихи на складе уже не увеличивается. Период, включающий сентябрь - декабрь месяцы, целесообразно рассматривать как лимитирующий технологические, транспортные и накопительные средства.
На рисунках 1,2 (приложения 5) изображены гистограммы поступлений гречихи нарастающим итогом по дням и неделям различных месяцев осенне-зимнего сезона. Из рисунков видно, что даже при минимальных поставках гречихи в осенне-зимний период линия переработки должна работать на полную мощность, а при больших грузопотоках уже необходимы накопительные емкости и складское помещение.
Анализируя гистограмму (рис. 4.2), можно отметить, что начиная с декабря и по август темпы поступления сырья на много ниже чем в предшествующие месяцы. Общая закономерность поступления зерна за год (за 12 месяцев) описывается функцией: _ (-1,3673/N(1HJ)+7,1333) , n где Му(К12) - суммарное поступление зерна (нарастающим итогом) с 1-го по 12-ый месяц, т; (1-12) " номер месяца с началом отсчета от 1-го сентября. Аппроксимация темпов годового поступления зерна на переработку выполнена со среднеквадратическим отклонением 11,366 т, что соответствует коэффициенту вариации 1,22%, и максимальной погрешностью Д m = 84,65 т - 8%. Прерывистой линией (на рис. 3, приложения 4) показана граница, которая разделяет грузопоток на перерабатываемую часть в текущее время использования линии и накопительную. На рис. 4.3 и 4.4 представлены результаты исследований степени выделения примесей (Свп) из сырья в зависимости от его исходной засоренности.
Рассмотрим графически характер взаимосвязи Свл = / (Зи), рисунки 4.5,..4.7. Из рисунка 4.5 видно, что устойчивой взаимосвязи нет. Величина Свл зависит от множества случайных, включая неуправляемые и неконтролируемые, факторов. Однако с гарантией 90% можно утверждать, что степень выделения сорной примеси Свл 0,63. Больше половины числа партий (59%) очищается основным оборудованием технологической линии на 80% и более. Отклонения величин степени очистки от Свл = 0,802 укладывается в диапазон -2а...+1,37о. Около 73% партий гречихи в выборке имеют засоренность 4 %.
Степень выделения примесей основным оборудованием технологической линии п/п Засоренность исходного сырья сорной примесью (Зс),% Засоренность продукта сорной примесью (Зп),% Степень выделения сорной примесилинией (Свл)(Гр2-ГрЗ)/Гр2 Отклонение от (Свл) средней, в долях единицы Квадрат отклонения(ЛСВЛІ)2 Среднеквадратическре отклонение (а) у / Коэффи-уг циент вари-jf ации (г ).
Исследования степени выделения полидисперсной примеси (включая отходы) из ядрицы при различных конструктивных и режимных параметрах установки представлены в таблице 4.2. Угол наклона триерного цилиндра изменялся в диапазоне 0...10 с интервалом 0,3. Установку необходимой величины угла наклона контролировали гидравлическим уровнем, состоящим из двух оттарированных стеклянных трубок (со шкалами, закрепленными на стойках) и гибкого шланга. Засоренность ядрицы изменялась от 7,2 до 48% с переменным интервалом. Такой диапазон засоренности принят из необходимости установить степень выделения примеси из отходов, содержащих продукт (ядрицу).
Большой разброс величины подачи объясняется нестабильностью истечения материала с высокой степенью засоренности через дозирующее отверстие. По той же причине величина отходов была значительной и колебалась в широких пределах. То есть процесс очистки нужно оценивать ограничительным методом - по минимально достижимой степени выделения примеси, что обеспечит запас технологических возможностей линии относительно среднестатистических оценок процесса очистки ядрицы.
